Ауксин играет центральную роль в росте растений, регулируя все процессы — от удлинения клеток до развития корней и стеблей. Но в данном случае он не является центральным элементом — последние исследования ученых из Института Салка показали, что белки-партнеры ауксина служат внутренними «термостатами» растений. Эти белки-партнеры напрямую воспринимают температуру, а затем изменяют генетические программы, чтобы соответствующим образом направлять рост корней.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, а полученные результаты могут быть использованы в будущих работах по созданию растений, способных выдерживать более экстремальные температуры.
«Давно известно, что растения растут с разной скоростью при разных температурах. Теперь мы обнаружили белок, способный напрямую воспринимать температуру и, следовательно, регулировать рост корней, что является огромным шагом к пониманию того, как растения интегрируют сигналы окружающей среды в свою жизнь», — говорит Люсия Страдер, доктор философии, старший автор исследования, профессор и обладательница кафедры биологии растений имени Говарда Х. и Марьям Р. Ньюман в Институте Салка.
Сигнал роста с проблемой "золотой середины"
Ауксин — главный регулятор роста растений. Страдер объясняет, что «его концентрация должна быть оптимальной, потому что слишком малое или слишком большое количество может подавить рост».
На протяжении десятилетий ученые считали, что температура влияет на рост растений главным образом путем изменения уровня гормонов, таких как ауксин. Ученые давно знают, что высокие температуры повышают как уровень ауксина, так и рост корней, но это создает парадокс, поскольку высокий уровень ауксина обычно замедляет удлинение клеток корня.
Итак, что еще может контролировать рост корней в ответ на изменение температуры? Ауксин действует через факторы транскрипции, реагирующие на ауксин (auxin response factor, ARF), — белки, регулирующие экспрессию генов роста. Команда исследователей обнаружила, что эти ARF напрямую воспринимают температуру.
При более низких температурах белки ARF хранятся внутри клетки в неактивных кластерах, подобно резерву. По мере повышения температуры белки становятся более растворимыми, отделяются от этих кластеров и перемещаются в ядро, где активируют гены, связанные с ростом.
«У вас есть запас белка, который может активироваться в зависимости от окружающей среды, а температура позволяет клетке переводить больше этого белка в активную форму. Мы считаем, что это как-то связано со свойствами самого белка — при более высоких температурах он более стабилен и лучше растворяется, поэтому он может легко накапливаться и вызывать температурные реакции», — говорит первый автор исследования Эдвард Уилкинсон, доктор философии, бывший аспирант-исследователь в лаборатории Страдер в Университете Дьюка.
Эта система позволяет растениям быстро реагировать на изменения окружающей среды, перераспределяя существующие белки, а не создавая новые.
«Можно рассматривать это как встроенный термостат внутри клетки — очень умный способ регулирования роста», — добавляет соавтор статьи Кейтилин Сейджман-Фурнас, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Страдера в Университете Дьюка.
Эта динамическая система дает растениям мощное преимущество. Вместо того чтобы создавать новые белки с нуля, они могут быстро корректировать рост, перераспределяя уже имеющиеся у них белки.
Понимание того, как растения воспринимают стрессовые факторы окружающей среды и реагируют на них, приобретает все большее значение для сельского хозяйства.
Благодаря новым способностям ученых идентифицировать молекулярные компоненты, которые действуют как датчики температуры и активаторы белков, открывается возможность создания сельскохозяйственных культур, способных продолжать расти при более высоких температурах.
Поскольку рост корней необходим для доступа к воде и питательным веществам, подобная устойчивость может помочь защитить урожайность сельскохозяйственных культур в сложных условиях.
Исследование Стардер было опубликовано одновременно с дополнительным исследованием из лаборатории доктора Хорхе Касаля в Институте физиологии и экологии сельскохозяйственных растений (IFEVA) при Университете Буэнос-Айреса.
После знакомства на конференции Страдер и Касаль решили разработать отдельные исследовательские планы с одной общей целью: выяснить, как растения преобразуют сигналы окружающей среды в рост.
«Такие открытия действительно отражают дух сотрудничества в университете Салка и то, как наша культура поощряет отношения внутри кампуса и за его пределами. Наше сотрудничество помогло оптимизировать ресурсы, приблизив нас к пониманию сигналов, передаваемых растениями, без конкуренции и пустой траты времени и денег», — говорит Страдер.
Обе статьи были опубликованы в один и тот же день, и Страдер и Касаль указаны в качестве соавторов в публикациях друг друга.
Источник: Salk Institute.
