Если вы когда-либо выращивали морковь в своем саду и ломали голову над тем, что ни разу не видели, как она цветет, не вините себя за отсутствие зеленого пальца.
Морковь, свекла и многие другие растения не зацветут, пока не переживут зиму. Продолжительные холода дают им сигнал к быстрому цветению с наступлением весны, что дает растениям преимущество в гонке по производству семян.
Но холод нужен не всегда. В 1930-х годах два английских ученых обнаружили, что некоторые культуры семейства злаковых, такие как рожь или пшеница, могут использовать короткие дни вместо холода, чтобы сообщить им, что пришла зима..
«Но ничего не было известно о том, как это работает», - говорит Рик Амасино, профессор биохимии и генетики в Университете Висконсин-Мэдисон.
Теперь, более 80 лет спустя, Дэниел Вудс и другие члены группы Амасино наконец открыли, как травы считают короткие дни зимы, чтобы подготовиться к цветению. У большинства растений белок под названием флориген вызывает цветение в течение удлиняющихся дней весной и летом. Травы имеют несколько копий гена флориген благодаря древней дупликации в их геномах. Одна из этих копий была перепрофилирована для экспрессии в короткие зимние дни, что дало некоторым травам новый способ подготовиться к весне.
Работа опубликована 8 января в журнале eLife. Новое исследование дает ценную информацию о том, как адаптированные к зиме травы приобретают способность цвести весной, что может быть полезно для улучшения сельскохозяйственных культур, таких как озимая пшеница, которые зависят от этого процесса.
Яровизация, потребность в периоде холода перед началом цветения, многократно эволюционировала в различных семействах растений. Ученые считают, что яровизация позволяет растениям заполнить новую нишу, где они накапливают энергию в течение одного года и быстро цветут следующей весной, прежде чем они будут затенены или вытеснены другими растениями. В прошлом Амасино и его группа идентифицировали гены, регулирующие яровизацию, у члена семейства капустных, известного как арабидопсис.
Чтобы использовать длину светового дня в качестве зимнего сигнала, группа Амасино обратилась к Brachypodium, траве, используемой в лаборатории, которая связана с такими культурами, как кукуруза, рис и пшеница. Они обнаружили, что из 51 разновидности Brachypodium 40 могут воспринимать короткие дни как признак зимы, что свидетельствует о различиях в этом признаке среди разновидностей.
«Если у вас есть вариации, вы можете заняться генетикой», - говорит Амасино, член Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер, института, финансируемого Министерством энергетики США, со штаб-квартирой в Университете Вашингтона в Мэдисоне.
Исследователи определили причину этой вариации в изменении одной буквы в одном гене, который является одним из 14 дубликатов гена флориген.
Команда обнаружила, что дубликат, названный FTL9, эволюционировал, чтобы действовать как своего рода инверсия родительского гена florigen. Там, где флориген накапливается в листьях в течение долгих дней, вызывая цветение, FTL9 накапливается в течение коротких зимних дней. В то время как достаточное количество флоригена делает цветение неизбежным, FTL9 делает цветение возможным, только отпуская тормоза флоригена с приходом весны.
Амасино полагает, что способность растений отслеживать зиму по холодным или коротким дням зависит от того, где они пускают корни. В более теплом климате солнце может быть лучшим сигналом о зиме, чем температура. Но в более холодных регионах лучше дождаться последней опасности заморозков, прежде чем инвестировать в хрупкие цветы. В поддержку этой идеи Brachypodium, адаптированный к короткому дню, в основном был собран в благоухающем Средиземноморье..
Лучшее понимание того, как растения развили системы, чтобы отметить конец зимы, может помочь ученым сохранить продуктивность сельскохозяйственных культур, особенно в условиях потепления климата. Потому что по мере того, как регионы выращивания нагреваются, культуры, которые следуют за солнцем, всегда будут надежно отслеживать сезоны, даже если зимние холода будут колебаться.