Растения обладают молекулярными механизмами, которые не позволяют им цвести зимой. Как только холода зимы проходят, они деактивируются. Однако, если весной еще слишком холодно, растения соответствующим образом адаптируют свое цветение. Ученые из Технического университета Мюнхена (TUM) обнаружили генетические изменения для этого адаптивного поведения. В свете изменений температуры, вызванных изменением климата, это может оказаться полезным для обеспечения производства продуктов питания в будущем.
Всем известно, что многие виды растений цветут весной в разное время. Время цветения растения весной не соответствует календарю, а определяется факторами окружающей среды, такими как температура и продолжительность дня. Биологи обнаружили, что растения распознают эти факторы окружающей среды с помощью генетически детерминированных программ и соответствующим образом адаптируют свой рост.
Для адаптации к новым климатическим зонам и обеспечения эволюционного успеха вида эти генетические программы могут быть адаптированы в ходе эволюции. Эти адаптивные процессы происходят пассивно: в генетическом материале (последовательности ДНК) вовлеченных генов происходят незначительные изменения (мутации). Если адаптация окажется успешной в последующие годы, новая популяция утвердится в качестве генетически отличного подвида.
Сравнение биологических адаптаций с генетическими изменениями
Чтобы выяснить, какие мутации особенно часто использовались в ходе эволюции, ученые сравнивают биологические адаптации, такие как сдвиги во времени, когда происходит цветение, с существующими генетическими изменениями. Для многих видов растений, таких как кресс-салат (Arabidopsis thaliana), который часто используется в исследованиях, а также для пищевых культур, таких как кукуруза, рис, ячмень и пшеница, в настоящее время существуют инициативы по картированию генома (полной последовательности ДНК) многих подвидов и разновидностей. Это делает сравнения на уровне ДНК особенно простыми и эффективными.
В журнале eLife Ульрих Лутц с кафедры системной биологии растений ТУМ и его коллеги из Helmholtz Zentrum München совместно описывают результаты сравнительного анализа последовательностей гена FLM (FLOW-ERING LOCUS M). из более чем тысячи последовательностей генома арабидопсиса.
FLM напрямую связывается с ДНК, позволяя ей влиять на создание других генов (транскрипцию), что задерживает цветение. Путем сравнения последовательностей ДНК FLM более чем тысячи подвидов Лутц смог определить, какие генетические изменения происходили часто в ходе эволюции этого растения: вообще говоря, это изменения, которые обеспечивают растению адаптивное преимущество, обнаруженное у большого количества подвидов.. С другой стороны, мутации, которые не давали преимуществ, со временем терялись. Таким образом, частота изменений указывает на то, что эти мутации были наиболее успешными с эволюционной точки зрения.
Для охарактеризованного им гена FLM Лутц смог продемонстрировать, что генетические изменения, происходящие во всем мире, влияют на то, насколько часто и эффективно считывается ген FLM. Поскольку FLM способен отсрочивать момент цветения, более интенсивное чтение гена напрямую соответствует более позднему цветению. FLM ведет себя как диммер, который растение использует для регулирования активности генов - и, следовательно, цветения - в непрерывном масштабе.
Ген FLM действует как контролер
Основные генные изменения повлияли на это прочтение FLM. Модифицированная ДНК была обнаружена в области «переключателя» гена (промотора), который регулирует количество вырабатываемого гена FLM. Кроме того, можно было наблюдать и механизм сплайсинга генов: в рамках этого процесса из промежуточного продукта гена вырезаются части. Количество активного FLM также можно адаптировать за счет генетических изменений, влияющих на сплайсинг генов. Таким образом, была обнаружена прямая зависимость между моментом цветения и количеством гена FLM, которое у арабидопсиса можно точно регулировать с помощью изменений последовательности ДНК.
«Выявленные нами варианты FLM являются идеальными генами-кандидатами, которые кресс-салат может использовать для адаптации момента времени, когда происходит цветение, к изменениям температуры, вызванным изменением климата», - сказал профессор Клаус Швеххаймер из кафедры растений. Системная биология в ТУМ.
Выводы могут помочь растениям адаптироваться к изменению климата
Изменение температуры всего на несколько градусов Цельсия в фазе роста сельскохозяйственных культур, таких как рапс или сахарная свекла, оказывает негативное влияние на сельскохозяйственное производство. В будущем результаты, полученные командой, включающей ученых ТУМ, могут позволить использовать ген FLM в качестве регулятора, помогающего адаптировать период цветения к различным температурам в результате изменения климата. Благодаря этим знаниям цель эффективного производства продуктов питания в долгосрочной перспективе теперь достижима.