Исследователи из Университета Миссисипи изучают реакцию растений на тепло на молекулярном уровне, чтобы предложить решение селекционерам жароустойчивых культур. В научной работе, опубликованной в журнале Nature Communications, они описывают внутренние структуры, которые растения используют для адаптации к росту и выживанию в условиях высоких температур.
«Растения — основа нашей продовольственной системы, но, в отличие от животных, они не могут перемещаться, чтобы избежать высоких температур. Поскольку глобальные температуры продолжают расти, понимание того, как растения реагируют на более теплые условия, имеет важное значение для обеспечения стабильного производства сельскохозяйственных культур и продовольственной безопасности. Если мы поймем, как растения воспринимают повышенные температуры и адаптируются к ним, мы сможем лучше прогнозировать эти изменения и разрабатывать стратегии для поддержания урожайности сельскохозяйственных культур в условиях меняющегося климата», — сказал Хайбо Сюн, научный сотрудник кафедры биологии и соавтор исследования.
Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) назвало 2024 год самым теплым годом за всю историю наблюдений с момента начала сбора данных в 1850 году, а 2025 год — третьим самым теплым. Поскольку температура продолжает расти, биологам необходимо понимать, как растения реагируют на температуру, чтобы повысить их устойчивость к жаре.
Юнцзянь Цю, доцент кафедры биологии, вместе с Сюном и тремя аспирантами-исследователями в области биологии — Абхишешем Баджрачарьей, Ранджитой Одари и Анупой Васти — в течение пяти лет изучали, как растения адаптируются к более теплым условиям на молекулярном уровне.
Растения реагируют на повышение температуры различными способами, например, удлиняют стебли, рано зацветают и разворачивают листья к небу, чтобы отводить тепло.
«С точки зрения сельского хозяйства, для зерновых культур и овощей такая реакция может вам понравиться, а может и нет. Хорошо ли удлинение стебля для фермеров? Возможно, нет, потому что при сильном ветре или дожде более длинный стебель очень легко может упасть. Но, допустим, для овощей известно, что реакция на повышение температуры проявляется в увеличении размера листьев. Если вы выращиваете листовые овощи, возможно, это хорошо», — говорит Цю.
По его словам, все эти изменения могут зависеть от PIF4 — белка, который действует как переключатель управления реакцией роста растений, запускаемой повышением температуры: «Мы говорим, что PIF4 важен, потому что если убрать PIF4, мутантные растения не смогут реагировать на температуру. Просто уберите PIF4, и вы увидите серьезный дефект в реакции».
PIF4 — это фактор транскрипции, то есть он может включать или выключать гены, связываясь с ДНК и привлекая другие молекулы, контролирующие активность генов.
«Это как конвейер, где PIF4 набирает рабочих и говорит: „Идите сюда и начинайте строить РНК“. Если мы нарушим связывание ДНК или нарушим привлечение фермента, этот белок не должен быть функциональным. Это будет все равно, как если бы рабочие не пришли. Удивительно, но мы мутировали PIF4, убрали функцию связывания с ДНК или функцию привлечения, вернули его в мутантные растения, и это сработало. Мутантные растения по-прежнему были способны реагировать на температуру. Этот результат означает, что PIF4 функционирует не столько как менеджер среднего звена, сколько как начальник, делегирующий задачи другим молекулам. Если он не может самостоятельно связаться с ДНК, он передает эту задачу на аутсорсинг», — поясняет Цю.
«Это открытие показывает, что растительные системы обладают высокой адаптивностью на молекулярном уровне. Даже когда некоторые ключевые функции PIF4, такие как связывание ДНК или активация генов, нарушаются, растение все еще может сохранять свою способность к росту при высоких температурах», — сказал Сюн. «Даже когда некоторые ключевые функции PIF4, такие как связывание ДНК или активация генов, нарушаются, растение все еще может сохранять свою способность к росту при высоких температурах».
Исследование показало, что особенность PIF4 заключается в его способности «объединяться» с другими белками и делегировать им задачи, подчеркнул Сюн. Это открытие может быть полезно в будущих разработках по созданию жароустойчивых культур.
«Вместо того чтобы сосредотачиваться только на отдельных генах или конкретных биохимических процессах, может быть эффективнее отдавать приоритет белкам, которые выступают в роли организаторов или объединяют множество партнеров для контроля роста. Воздействие на такие белки может помочь упростить идентификацию ключевых регуляторов, поскольку они находятся в центральных точках сети. В конечном итоге это может облегчить разработку культур, которые сохраняют стабильный рост в более теплых условиях», заключил ученый.
Источник: University of Mississippi.
На фото: аспирантка Университета Миссисипи Анупа Васти изучает растения в лаборатории профессора биологии Юнцзяня Цю. В лаборатории Цю выращивают множество образцов растений, чтобы проверить их реакцию на тепло на молекулярном уровне. Эта информация будет иметь решающее значение для фермеров и предприятий по мере повышения глобальных температур.
