В двух публикациях биологи из Утрехта и международные коллеги описывают процессы, используемые растениями для адаптации к теплу. Открытия дают представление о том, как растения оптимально функционируют при субоптимальных высоких температурах. Это также может стать трамплином на пути к контролю над ростом растений и повышению их устойчивости к глобальному потеплению. Исследователи публикуют свои результаты в The Plant Journal и Nature Communications.
Белые медведи в пустыне
Тем не менее, многие виды растений разработали способы справляться с более высокими температурами. «В отличие от животных, многие растения могут адаптировать форму своего тела в ответ на тепло и другие факторы окружающей среды», — говорит исследователь Мартейн ван Зантен, сотрудник Утрехтского университета и внес вклад в обе публикации. «Животные – это совсем другая история. Проще говоря, если поместить белого медведя в пустыню, он все равно будет похож на белого медведя с густой шубкой. Но если растение растет в более теплых условиях, оно соответствующим образом адаптирует форму своего тела. Таким образом, завод пытается оптимально функционировать в этих менее благоприятных условиях».
От компактной к открытой форме растения
Многие виды растений могут адаптировать форму своих стеблей и листьев, чтобы сделать их более устойчивыми к высоким температурам. Это также верно и для кресс-салата (Arabidopsis thaliana), который многие биологи растений считают своей любимой моделью растения. В холодных условиях эти растения компактны, а листья прилегают к земле. Когда температура повышается, они принимают более открытую позу. Листья, например, становятся более вертикальными. Это значительно снижает прямое излучение Солнца. Кроме того, стебли листьев растягиваются, позволяя большему количеству ветра проходить через листья и рассеивать тепло.
Желаемое и нежелательное растяжение
Однако в случае сельскохозяйственных культур и (срезанных) цветов такое растяжение часто нежелательно. Производители хотят контролировать эти изменения, поскольку растяжение может ухудшить качество продукции. «Но в то же время необходима адаптация, чтобы сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к более высоким температурам, возникающим в результате изменения климата. Это необходимо для поддержания производства в долгосрочной перспективе», — говорит Ван Зантен.
Делаем растения более устойчивыми к климату
«Многие возделываемые культуры утратили способность хорошо реагировать на более высокие температуры», — говорит Ван Зантен. «У различных культур он исчез в процессе одомашнивания и селекции, поскольку селекционеры в первую очередь сосредоточились на других признаках».
Ван Зантен говорит, что изменение климата приводит к повышению температуры, поэтому существует растущая необходимость сделать растения более устойчивыми к климату. «Для этого необходимы знания о том, как растения справляются с более высокими температурами. Как они преобразуют получаемые температурные сигналы в адаптации к росту? Исследование молекулярных механизмов, с помощью которых растения адаптируются к неоптимальной температуре, позволит создать инструменты для корректировки структуры сельскохозяйственных культур посредством селекции».
Молекулярный механизм включает тепловую позу
Растения кресс-салата, которые больше не адаптируются к более высоким температурам, могут восстановить эту способность при воздействии определенных химикатов. Это обнаружила международная исследовательская группа под руководством Ван Зантена. Команда протестировала большое количество веществ на мутанте кресс-салата, который больше не адаптируется к высоким температурам. Они нашли молекулу, способную «включить» адаптацию к высокой температуре у молодых растений даже при низких температурах.
Исследователи называют это соединение «Хеатин». Химически модифицировав молекулу, а затем изучив, какие белки могут связываться при нагревании, они обнаружили группу белков, называемых нитрилазами. Известно, что выделенная подгруппа встречается только у капусты и родственных видов, включая кресс-салат.
Совместно с селекционной компанией биологи обнаружили, что виды капусты действительно реагируют на нагревание. Они также обнаружили, что нитрилазы необходимы для адаптации к высокой температуре, вероятно, потому, что они обеспечивают выработку известного гормона роста ауксина. Исследователи опубликовали это открытие в The Plant Journal.
Новый путь адаптации к высоким температурам
Публикация результатов Хитина совпадает с другой публикацией, сегодня в Nature Communications. Это исследование провели ученые из института VIB в Бельгии при участии Ван Зантена. Команда обнаружила ранее неописанный белок, который регулирует адаптацию растений к более теплой среде. Белок получил название MAP4K4/TOT3, где TOT означает «Цель температуры».
Примечательно, что процесс, управляемый TOT3, в значительной степени независим от всех других сигнальных путей, которые биологи до сих пор связывали с адаптацией растений к теплу. Кроме того, адаптация TOT3, по-видимому, не зависит от количества и состава света, попадающего на растение.
Ван Зантен: «Молекулярные механизмы, с помощью которых растения адаптируют рост к изменению светового состава и высокой температуре, во многом совпадают. Благодаря TOT3 у нас теперь есть фактор, с помощью которого мы можем контролировать рост при высоких температурах, не мешая растению справляться со светом».
Широкие приложения
«Что делает это еще более интересным, — говорит Ван Зантен, — так это то, что TOT3 играет одинаковую роль в адаптации к росту при высокой температуре как у кресс-салата, так и у пшеницы. Эти два вида генетически совершенно отделены друг от друга. Это открывает большой потенциал для широкого применения».
Альтернатива ингибиторам роста
В конечном счете, открытие TOT3 и роли нитрилазы могут помочь продолжать выращивать достаточные урожаи, даже когда температура повышается из-за изменения климата. Открытия также открывают возможности для разработки альтернатив химическим веществам, которые сейчас часто используются для подавления роста растений. В качестве примера Ван Зантен приводит срезанные цветы, которые очень сильно реагируют на колебания температуры. Поэтому в цветоводстве используется множество ингибиторов роста, чтобы растения оставались красивыми и компактными.
«Например, в тот момент, когда вы покупаете тюльпаны, у них все еще остается красивый короткий стебель», — говорит Ван Зантен. «Но через несколько дней в вашем доме они начинают свисать с края вазы. Более высокие температуры в помещении заставляют растения вытягиваться, что в конечном итоге приводит к тому, что они обмякают и сгибаются. Мы надеемся, что новые знания будут способствовать селекции новых сортов цветов, которые меньше вытягиваются при высоких температурах. Таким образом, мы можем сократить использование вредных ингибиторов роста».
Для получения дополнительной информации:
Университет Утрехта
www.uu.nl