Травянистые растения — включая кукурузу, пшеницу и рис — составляют большую часть калорий растительного происхождения, потребляемых человеком, а также большую часть калорий, скармливаемых скоту. Новое исследование показало, что рост стеблей и утолщение клеточных стенок у злаковых критически зависят от температурных циклов. Установлено, что они растут быстрее прохладными ночами и замедляются теплыми днями, что важно для селекции устойчивых сортов кукурузы и пшеницы в условиях глобального потепления, когда ночи теплеют быстрее, чем дни.
Учёным давно известно, что многие растения реагируют на световые сигналы, которые запускают их циклы роста. Все растения растут быстрее всего в определённое время суток и в определённые периоды года, и большинство из них реагируют на сезонные и суточные изменения уровня освещенности. Однако для травянистых растений крайне важна правильная температура.
У большинства двудольных растений (например, у томатов или салата) биологические часы дают команду «расти» в зависимости от изменения освещения. Злаки же (кукуруза, пшеница, рис) запускают механизмы деления клеток и утолщения их стенок, реагируя на температурные циклы (они быстрее растут прохладными ночами).
«Все, что мы считали известным о ритме суточных циклов роста растений, оказывается неверным для растений, которые обеспечивают нас почти всеми калориями и большей частью калорий, которыми мы кормим животных. Наиболее активно они реагируют на температуру», — говорит Сэмюэл Хейзен, профессор биологии в Массачусетском университете в Амхерсте и старший автор статьи, опубликованной в журнале Current Biology.
Закон фотосинтеза, конечно, никто не отменял: свет дает «еду», а температура определяет график строительства стебля.
Именно эти стебли позволяют пшенице, кукурузе и рису расти высокими, что облегчает их сбор урожая. Жесткость их стеблей обеспечивается утолщением вторичных стенок вокруг клеток стебля. Проблема для ученых заключается в том, что этот рост происходит в микроскопическом масштабе, и у исследователей не было возможности наблюдать за ним в реальном времени.
Чтобы увидеть скрытый ночной рост, ученые из Массачусетского университета в Амхерсте генетически модифицировали модельный злак Brachypodium distachyon (коротконожка двуколосая), внедрив в него ген фермента люциферазы, взятый у светлячков.
В механизме «подсветки» роста целью стал ген CESA8: Этот конкретный ген отвечает за выработку целлюлозы, которая необходима злакам для строительства и утолщения прочных клеточных стенок во время роста. Биологи искусственно соединили ген CESA8 с геном люциферазы светлячка.
Каждый раз, когда растение активировало ген роста, чтобы строить стебель, оно одновременно запускало и ген люциферазы. В результате в местах активного деления клеток начинала происходить химическая реакция, и ткани растения буквально светились в темноте.
Ученые поместили модифицированные злаки в специальные закрытые камеры и настроили непрерывную покадровую съемку (time-lapse) на высокочувствительные камеры. Благодаря этому им не приходилось срезать или травмировать растения: интенсивность и локализация свечения на видео наглядно.
Именно эта светящаяся индикация помогла доказать, что вспышки активности роста происходят прохладными ночами, полностью подчиняясь температуре, а не циклам освещения.
«Впервые мы можем наблюдать, как ген, отвечающий за формирование структурной опоры растения, активируется и буквально светится внутри живого стебля. В целом, трава росла быстрее в прохладные ночи и медленнее в теплые дни, но быстрее всего она росла при наличии теплых периодов в течение прохладной ночи и медленнее всего — при наличии холодных периодов в течение теплого дня. Низкие температуры первоначально подавляли утолщение клеточных стенок, но длительные периоды холода способствовали этому процессу. В то же время, при более высоких температурах наблюдалась обратная ситуация», — говорит Грег Грегори, первый автор статьи.
Рост ночных температур из-за глобального потепления представляет собой скрытую угрозу для мировой продовольственной безопасности. Ночи на планете сейчас теплеют быстрее, чем дни. Так как злаки (пшеница, рис, кукуруза) генетически запрограммированы расти именно в прохладные ночные часы, это открытие объясняет, почему изменение климата бьет по урожаям сильнее, чем предполагалось ранее.
Источник: University of Massachusetts Amherst.