У двох публікаціях утрехтські біологи та міжнародні колеги описують процеси, за допомогою яких рослини адаптуються до тепла. Ці відкриття дають зрозуміти, як рослини оптимально функціонують за неоптимальних високих температур. Це також може стати сходинкою до контролю над ростом рослин і зробити їх більш стійкими до глобального потепління. Дослідники публікують свої результати в The Plant Journal і Nature Communications.
Білі ведмеді в пустелі
Проте багато видів рослин розробили способи справлятися з високими температурами. «На відміну від тварин, багато рослин можуть адаптувати форму свого тіла у відповідь на тепло та інші фактори навколишнього середовища», — каже дослідник Мартійн ван Зантен, який співпрацює з Утрехтським університетом і брав участь у обох публікаціях. «Тварини – це зовсім інша історія. Простіше кажучи, якщо помістити білого ведмедя в пустелю, він все одно буде схожий на білого ведмедя з густою шубою. Але якщо рослина росте в більш теплих умовах, вона відповідно адаптує свою форму тіла. Таким чином, завод намагається оптимально функціонувати в цих менш сприятливих умовах».
Від компактної до відкритої форми рослини
Багато видів рослин можуть адаптувати форму своїх стебел і листя, щоб зробити їх більш стійкими до високих температур. Це також вірно для крес-салаку (Arabidopsis thaliana), який багато рослинних біологів вважають улюбленою рослинною моделлю. У холодних умовах ці рослини компактні, а листя щільно прилягають до землі. Коли температура підвищується, вони приймають більш відкриту позу. Листя, наприклад, стають більш прямостоячими. Це значно зменшує пряме сонячне випромінювання. Крім того, стебла листя розтягнуться, дозволяючи більшій кількості вітру пропускати листя та розсіювати тепло.
Бажане і небажане розтягування
Однак у культурах і (зрізаних) квітах таке розтягування часто є небажаним. Виробники хочуть контролювати ці зміни, оскільки розтягування може погіршити якість продукції. «Але в той же час необхідна адаптація, щоб зробити посіви більш стійкими до високих температур, спричинених зміною клімату. Це необхідно для підтримки виробництва в довгостроковій перспективі», — говорить Ван Зантен.
Зробити рослини більш стійкими до клімату
«Багато культивованих культур втратили здатність добре реагувати на високі температури», — каже Ван Зантен. «У різних культурах він зник під час одомашнення та процесу селекції, оскільки селекціонери в основному зосереджувалися на інших ознаках».
Оскільки зміна клімату підвищує температуру, Ван Зантен каже, що зростає потреба зробити рослини більш стійкими до клімату. «Для цього потрібні знання про те, як рослини справляються з високими температурами. Як вони перетворюють отримані температурні сигнали в адаптацію до росту? Дослідження молекулярних механізмів, за допомогою яких рослини адаптуються до субоптимальної температури, дозволяє використовувати інструменти для коригування архітектури культур шляхом селекції».
Молекулярний механізм перемикає теплову позицію
Здається, рослини крес-салат, які більше не адаптуються до високих температур, можуть відновити цю здатність під впливом певних хімічних речовин. Це виявила міжнародна дослідницька група під керівництвом Ван Зантена. Команда випробувала велику кількість речовин на мутанті крес-салі, який більше не адаптується до високих температур. Вони знайшли молекулу, яка може «вмикати» адаптацію до високої температури у молодих рослин, навіть при низьких температурах.
Дослідники називають цю сполуку «Heatin». Хімічно модифікувавши молекулу, а потім вивчивши, які білки можуть зв’язуватися при нагріванні, вони виявили групу білків під назвою нітрилази. Відомо, що ідентифікована підгрупа зустрічається лише в капусті та споріднених видах, включаючи крес-салат.
Разом із селекційною компанією біологи виявили, що види капусти дійсно реагують на нагрівання. Вони також виявили, що нітрилази необхідні для адаптації до високих температур, ймовірно, тому, що вони дозволяють виробляти добре відомий гормон росту ауксин. Дослідники опублікували це відкриття в The Plant Journal.
Новий шлях адаптації до високих температур
Публікація результатів Heatin збігається з іншою публікацією, сьогоднішньою в Nature Communications. Це дослідження проводили вчені з інституту VIB у Бельгії, за участю Ван Зантена. Команда виявила раніше неописаний білок, який регулює адаптацію рослин до теплішого середовища. Білок був названий MAP4K4/TOT3, де TOT означає цільову температуру.
Примітно, що процес, керований TOT3, значною мірою не залежить від усіх інших сигнальних шляхів, які біологи досі пов’язували з адаптацією рослин до тепла. Крім того, адаптації TOT3, здається, не залежать від кількості та складу світла, яке світить на рослину.
Ван Зантен: «Молекулярні механізми, за допомогою яких рослини пристосовуються до зміни складу світла та високої температури, значною мірою збігаються. Завдяки TOT3 тепер у нас є фактор, за допомогою якого ми можемо контролювати ріст за високих температур, не втручаючись у те, як рослина справляється зі світлом».
Широкі застосування
«Що робить це ще цікавішим, — каже Ван Зантен, — це те, що TOT3 відіграє подібну роль у адаптації росту за високої температури як у кресс-салатового, так і в пшениці. Ці два види генетично досить відокремлені один від одного. Тож це пропонує великий потенціал для широкого застосування».
Альтернатива інгібіторам росту
Зрештою, відкриття TOT3 і роль нітрилаз можуть допомогти продовжувати вирощувати достатню кількість врожаю, навіть коли температури підвищаться через зміну клімату. Ці відкриття також відкривають можливості для розробки альтернатив хімічним речовинам, які зараз часто використовуються для пригнічення росту рослин. Як приклад Ван Зантен згадує зрізані квіти, які дуже сильно реагують на коливання температури. Тому в квітникарстві використовується багато інгібіторів росту, щоб зберегти рослини красивими та компактними.
«Наприклад, у той момент, коли ви купуєте тюльпани, вони все ще мають гарне коротке стебло», — каже Ван Зантен. «Але через кілька днів у вашому домі вони починають звисати з краю вази. Вищі температури в приміщенні спричиняють витягування рослин, що з часом призводить до того, що вони в’януть і згинаються. Сподіваємося, що нові знання сприятимуть виведенню нових сортів квітів, які менше витягуються під впливом високих температур. Таким чином ми можемо зменшити використання шкідливих інгібіторів росту».
Для отримання додаткової інформації:
Утрехтський університет
www.uu.nl