Растения очень чутко реагируют на изменение температуры окружающей среды. Например, при 22 градусах Цельсия модельное растение Arabidopsis демонстрирует компактный рост. Но если температура поднимается всего на несколько градусов, растения демонстрируют повышенный рост удлинения побегов и листьев, что позволяет органам растений легче охлаждаться за счет испарения. Как растения чувствуют температуру, до сих пор было неизвестно. В двух дополнительных исследованиях, опубликованных в журнале Science, исследователи из Фрайбургского университета сотрудничали с исследователями из Кембриджа, Англия; Буэнос-Айрес, Аргентина; и св. Луи, штат Миссури, США, чтобы продемонстрировать, как светочувствительный рецептор фитохром B также работает как датчик температуры у растений.
Фитохромы являются фоторецепторными белками, которые контролируют ряд физиологических процессов в высших растениях, включая прорастание семян, развитие проростков, индукцию цветения и избегание тени. Спектральный состав световой среды растения меняется в зависимости от того, где растет растение: доля красного света высока при прямом солнечном свете, в то время как в тени растительности синий и красный свет отфильтровываются, а дальний красный становится более насыщенным. Фитохромы могут поглощать свет и действовать как молекулярные переключатели, управляемые светом. В то время как часть красного света солнечного света активирует фитохромы, дальний красный свет инактивирует их. На основании этого растения способны определять количество красного света в своей световой среде. Активный фитохром B ингибирует рост удлинения и вместо этого способствует компактному росту растений. Он связывается с регуляторными последовательностями или промоторами определенных генов, участвующих, например, в регуляции роста удлинением, тем самым контролируя их активность.
Давно известно, что фитохромы могут переходить из активного в неактивное состояние независимо от условий освещения. Этот процесс известен как темновая реверсия. Физиологи растений из Фрайбургского университета ранее продемонстрировали, что инактивация фитохрома В посредством темновой реверсии может происходить в реакциях с двумя разными скоростями. Более медленный механизм темновой реверсии обеспечивает постепенное снижение количества активного фитохрома В в течение ночи. Второй, примерно в 100 раз более быстрый процесс реверсии конкурирует со световой активацией фитохрома В и, таким образом, позволяет растению измерять интенсивность света в течение дня. Кроме того, исследователи обнаружили, что скорость этих двух процессов инактивации сильно зависит от температуры.
Используя специальный метод спектроскопии, позволяющий измерять количество активного фитохрома В в живых проростках, ученые продемонстрировали, насколько сильно температура влияет на две скорости темновой реверсии. Температурная зависимость более медленной реакции возврата в темноту определяет, как долго фитохром B остается активным в течение ночи и, следовательно, может связываться с промоутерами генов. При более высоких температурах фитохром В быстрее инактивируется и высвобождается из промоторов быстрее, чем при более низких температурах. Температура также влияет на активность фитохрома В в течение дня. При более высоких температурах исследователи обнаружили снижение уровня активной формы фоторецепторов уже в световой фазе, что было вызвано температурной зависимостью механизма быстрой темновой реверсии. Повышение температуры инактивирует фитохром В, особенно при слабом освещении, что, в свою очередь, способствует росту удлинением. Используя эти механизмы, растения могут адаптировать свое развитие к изменениям окружающей среды.
Исследователи, участвующие в исследованиях, - д-р Корнелия Клозе, проф. д-р Андреас Хилтбруннер и профессор д-р Эберхард Шефер из отдела молекулярной физиологии растений Института биологии II Фрайбургского университета. Хитбруннер и Шефер являются членами кластера передового опыта Центра исследований биологических сигналов BIOSS, также при Фрайбургском университете.