«Мы определили особенности процесса, который помогает растениям переносить холод. Он контролируется биологическими часами растений, и мы думаем, что он особенно важен холодным и ярким утром, - рассказывает профессор Энтони Додд, руководитель исследования. - Такие культуры, как озимая пшеница и озимый рапс, во время вегетации с успехом переносят низкие температуры за счет регулирования фотосинтеза. Это представляет собой интересную цель для будущей точной селекции устойчивых к климату культур».
Низкие температуры могут повредить клетки растений, особенно в сочетании со слишком большим количеством света. Исследователи хотели узнать, как информация о низких температурах передается хлоропластам, месту фотосинтеза внутри растительной клетки.
Хлоропласты имеют свой собственный небольшой геном, отражающий их эволюционное прошлое в качестве фотосинтезирующих бактерий до того, как они были поглощены и использованы растениями для осуществления фотосинтеза. На протяжении эволюции многие гены из хлоропластов перешли в геном растений, но некоторые важные гены хлоропласты оставили и себе.
В этом исследовании команда сосредоточилась на одном таком бактериальном генетическом наследии, называемом сигма-фактором (SIG5). У бактерий сопоставимые сигма-факторы вносят вклад в реакцию на температуру.
В экспериментах, проведенных в контролируемых лабораторных условиях, ученые манипулировали условиями освещения и подвергали растения периодам охлаждения. Удаление растений из дневного и ночного цикла позволяет лучше изучить свободные ритмы биологических или циркадных часов растений. У растений, как и у людей, часы настроены на 24-часовой цикл, предлагая меру времени внутри клеток и регулируя ряд важных биологических процессов.
Эксперименты показали чувствительность гена SIG5 к холодовому воздействию рано утром, под контролем циркадных часов.
Команда предполагает, что SIG5 действует как часть сигнальной сети, которая связывает ядро клетки растения с хлоропластами, регулируя деятельность, которая может защитить растение от вредного воздействия окружающей среды.
«Если температура низкая, некоторые ферменты, участвующие в фотосинтезе, быстро разрушаются, - объясняет профессор Додд. - Итак, мы думаем, что процесс, который контролируется ядром клетки, сигнализирует хлоропластам, чтобы они немедленно производили больше этих белков. Когда растение одновременно «видит» холод и свет, им нужно включить этот сигнальный процесс от ядра к хлоропластам и выпустить больше белков фотосинтеза. Роль биологических часов состоит в том, чтобы действовать как ворота, которые либо пропускают сигнал, либо нет, процесс, известный как циркадные ворота.
Растения могли эволюционировать, чтобы особенно реагировать на свет и холод, как весеннее утро, потому что это условия, которые повреждают фотосинтетическую систему, и это доказано в лаборатории. Следующий этап - посмотреть, можно ли модифицировать механизм для дальнейшего повышения устойчивости культур к холоду и для выращивания теплолюбивых растений, таких как кукуруза, в более северных широтах.
Исследование является результатом сотрудничества Центра Джона Иннеса, Бристольского университета, Токийского технологического института и корпорации Nippon Telegraph and Telephone Corporation в Японии, а также Даремского университета.
(Источник: John Innes Centre. Фото: Дмитрий Лукьянов).
