Растения сильно удлиняются, изгибаются, чтобы обеспечить доступ солнечного света к каждому из своих листьев. Несмотря на наблюдение за этим явлением на протяжении веков, ученые до конца не понимают его. Сейчас ученые из института Солка обнаружили, что два растительных фактора — белок PIF7 и гормон роста ауксин — являются триггерами, которые ускоряют рост, когда растения находятся в тени и одновременно подвергаются воздействию высоких температур, сообщает официальный сайт института.
Выводы, опубликованные в журнале Nature Communications 29 августа 2022 года, помогут ученым предсказать, как растения будут реагировать на изменение климата, и повысить урожайность, несмотря на глобальное потепление климата, наносящее ущерб урожаю.
«Прямо сейчас мы выращиваем сельскохозяйственные культуры с определенной плотностью, но наши результаты показывают, что нужно будет снизить эту плотность для оптимизации роста растений по мере изменения климата», — говорит старший автор профессор Джоанн Чори, директор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений института Солка и Ховарда, исследователь Медицинского института Хьюза. «Понимание молекулярной основы того, как растения реагируют на свет и температуру, позволит нам точно настроить плотность посевов таким образом, чтобы получить наилучшие урожаи».
Во время прорастания сеянцы быстро удлиняют свои стебли, чтобы пробиться сквозь почву и как можно быстрее захватить солнечный свет. В норме стебель замедляет свой рост после воздействия солнечных лучей. Но стебель может снова быстро удлиниться, если растение конкурирует с окружающими растениями за солнечный свет или в ответ на повышение температуры увеличивает расстояние между горячей землей и листьями растения. В то время как оба условия окружающей среды — затенение и высокая температура — стимулируют рост стеблей, они также снижают урожайность.
В этом исследовании ученые сравнили растения, растущие в тени и при теплых температурах одновременно — условия, которые имитируют высокую плотность посевов и изменение климата. Ученые использовали модельное растение Arabidopsis thaliana, а также томат и близкий родственник табака, потому что им было интересно посмотреть, одинаково ли на все три вида растений влияют эти условия окружающей среды.
У всех трех видов команда исследователей обнаружила, что растения вырастали чрезвычайно высокими, когда одновременно пытались избежать тени, создаваемой соседними растениями, и подвергались воздействию более высоких температур. На молекулярном уровне исследователи обнаружили, что фактор транскрипции PIF7, белок, который помогает «включать» и «выключать» гены, способствовал ускорению роста. Они также обнаружили, что уровень ауксина, гормона роста, увеличивался, когда культуры обнаруживали соседние растения, что способствовало росту в ответ на одновременные более высокие температуры. Этот синергетический путь PIF7-ауксин позволил растениям реагировать на окружающую среду и адаптироваться в поисках наилучших условий для роста.
Родственный фактор транскрипции, PIF4, также стимулировал удлинение стебля при высоких температурах. Однако при сочетании тени и повышенных температур этот фактор уже не играл важной роли.
«Мы были удивлены, обнаружив, что PIF4 не играет важной роли, потому что предыдущие исследования показали важность этого фактора в связанных ситуациях роста», — говорит первый автор исследования Йогев Бурко, научный сотрудник института Солка и доцент Организации сельскохозяйственных исследований в Институте вулканов Израиля. «Тот факт, что PIF7 является доминирующей движущей силой роста этого растения, стал настоящим сюрпризом. Благодаря этим новым знаниям мы надеемся точно настроить реакцию роста различных сельскохозяйственных культур, чтобы помочь им адаптироваться к изменению климата».
Исследователи считают, что есть еще один фактор, который еще предстоит открыть, который усиливает эффект PIF7 и ауксина. Они надеются изучить этот неизвестный фактор в будущих исследованиях. Лаборатория Берко также будет изучать, как можно оптимизировать этот путь у сельскохозяйственных культур.
«Глобальные температуры повышаются, поэтому нам нужны продовольственные культуры, способные расти в этих новых условиях», — говорит Чори, один из руководителей инициативы Солка по использованию растений и заведующая кафедрой биологии растений Говарда Х. и Марьям Р. Ньюман. «Мы определили ключевые факторы, которые регулируют рост растений при высоких температурах, что поможет нам выращивать более продуктивные культуры, чтобы прокормить будущие поколения».
