На протяжении десятилетия учёные считали, что растения ощущают температуру в основном через специализированные белки и преимущественно ночью, когда воздух прохладный. Новое исследование показывает, что днём преобладает другой сигнал. Сахар, вырабатываемый под воздействием солнечного света, помогает растениям обнаруживать тепло и решать, когда расти.
Исследование под руководством Менга Чена
Исследование под руководством профессора клеточной биологии Университета Калифорнии в Риверсайде Менга Чена показывает, что растения используют несколько систем для восприятия тепла, и сахар играет центральную и ранее не признанную роль в реакции на температуру в дневное время. Результаты опубликованы в Nature Communications и меняют устоявшееся представление о том, как растения взаимодействуют с окружающей средой, и могут повлиять на будущие стратегии создания устойчивых к климату сельскохозяйственных культур.
«В наших учебниках говорится, что такие белки, как фитохром B и ранний цветок 3 (ELF3), являются основными термодатчиками у растений, — говорит Чен. — Но эти модели основаны на данных, полученных в ночное время. Мы хотели узнать, что происходит днём, когда свет и температура высокие, поскольку именно такие условия чаще всего испытывают растения».
Методы исследования
Для исследования учёные использовали арабидопсис — небольшое цветущее растение, популярное в генетических лабораториях. Они подвергли проростки воздействию различных температур — от 12 до 27 градусов Цельсия — в разных условиях освещения и отслеживали удлинение их стеблей, известное как гипокотилы, — классический индикатор реакции роста на тепло.
Результаты
Оказалось, что фитохром B, светочувствительный белок, может обнаруживать тепло только при слабом освещении. В ярких условиях, имитирующих солнечный свет в середине дня, его температурно-чувствительная функция была фактически отключена. Однако растения всё равно реагировали на тепло, вырастая выше, даже когда роль термодатчика у фитохрома B была значительно снижена. Это, по словам Чена, указывало на наличие других датчиков.
Одним из ключей к разгадке стало изучение мутанта фитохрома B, лишённого термочувствительной функции. Эти мутантные растения могли реагировать на тепло только при выращивании на свету. В темноте, без фотосинтеза, у них не было хлоропластов, и они не росли выше в ответ на тепло. Но когда исследователи добавили в среду для выращивания сахар, температурная реакция вернулась.
«Тогда мы поняли, что сахар не просто стимулирует рост, — сказал Чен. — Он действует как сигнал, сообщая растению, что тепло».
Дальнейшие эксперименты показали, что более высокие температуры запускают расщепление крахмала, хранящегося в листьях, с высвобождением сахарозы. Этот сахар, в свою очередь, стабилизирует белок, известный как PIF4, — главный регулятор роста. Без сахарозы PIF4 быстро разрушается. С ней белок накапливается, но становится активным только тогда, когда другой датчик, ELF3, также реагирует на тепло, отступая в сторону.
«PIF4 нужны две вещи: сахар, чтобы задержаться, и свобода от подавления. Температура помогает обеспечить и то, и другое», — объяснил Чен.
Исследование показывает сложную многоуровневую систему. Днём, когда свет используется в качестве источника энергии для фиксации углекислого газа в сахар, растения также развили механизм, основанный на сахаре, для восприятия изменений окружающей среды. При повышении температуры накопленный крахмал превращается в сахар, который затем позволяет ключевым белкам роста выполнять свою работу.
Практические последствия
Результаты могут иметь практическое значение. По мере того как изменение климата приводит к экстремальным температурам, понимание того, как и когда растения ощущают тепло, может помочь учёным выводить культуры, которые растут более предсказуемо и устойчиво в условиях стресса.
«Это меняет наше представление о термочувствительности у растений, — сказал Чен. — Речь идёт не только о том, что белки включаются или выключаются. Это также энергия, свет и сахар».
Результаты также подчёркивают, в очередной раз, скрытую утончённость растительного мира. В тумане фотосинтеза и запасов крахмала скрывается скрытый интеллект: тот, который знает, когда пора тянуться к небу.