При повышении ртутного столба страдают не только люди и животные, но и растения. Тепловой стресс является серьезной проблемой в сельском хозяйстве и может значительно снизить урожайность. Даже небольшое повышение температуры может повлиять на рост и развитие растений. Хотя растения не могут переместиться в тенистое место, чтобы спастись от жары, они разработали стратегии защиты от теплового стресса, когда выходит солнце; однако то, как растения чувствуют тепловой стресс и реагируют на него, до конца не изучено.
Понимание того, как растения реагируют на тепловой стресс, имеет решающее значение для выращивания сельскохозяйственных культур, способных выдерживать повышение средней температуры и более частые периоды сильной жары в условиях изменения климата. В результате многие люди работали в течение многих лет, пытаясь понять, как растения чувствуют температуру, а затем, как растения используют эту информацию для активации химических путей, чтобы защитить себя, среди прочего, вырабатывая защитные белки теплового шока (HSP).
С 1939 года известно (Лауд и др.), что реакция растений на тепловой стресс колеблется между днем и ночью - если вы подвергаете растение тепловому стрессу в середине дня, выжить, чем если бы вы применили такой же тепловой стресс ночью. Ежедневный цикл термостойкости растений - это стратегия, которая защищает растения от самых жарких периодов дня, а также потенциально предотвращает трату энергии на производство белков теплового шока ночью, когда прохладнее.
Дальнейшие исследования подтвердили, что термостойкость растений активируется при воздействии на них света. Они теряют это свойство термостойкости в темноте и восстанавливают защиту только при повторном воздействии света.
Однако сигнализация, участвующая в том, чтобы сказать растению, когда активировать гены для производства белков теплового шока, оставалась загадкой.
Патрик Дикинсон, который присоединился к лаборатории Сейнсбери в Кембриджском университете в качестве аспиранта, хотел это выяснить: «Меня очень интересовало, как растения реагируют на окружающую среду, и я был удивлен, что так много еще предстоит выяснить. узнали о том, как растения чувствуют и реагируют на температуру. Многое известно о том, как клетки растений и животных реагируют на экстремальный тепловой стресс, но мало что было известно об их реакции на окружающее тепло или о том, как они регулируют свою реакцию на тепло между днем и ночью.."
Световая сигнализация хлоропластов запускает реакцию на тепловой стресс
Доктор Дикинсон, который в настоящее время является научным сотрудником отдела наук о растениях Кембриджского университета, обнаружил, что ряд генов, которые, как известно, участвуют в формировании хлоропластов, также оказывают большое влияние на реакцию растений на высокие температуры.. Соединение этих двух частей головоломки воедино - его открытие, что гены хлоропластов связаны с реакцией на тепловой стресс и что растения лучше реагируют на тепловой стресс в дневное время, - указывает на то, что хлоропласты участвуют в защите растений от тепла. Он обнаружил, что хлоропласты посылают сигнал в ответ на свет, который затем активирует экспрессию генов в ядре, чтобы сделать растение устойчивым к тепловому стрессу.
Как хлоропласт и ядро разговаривают друг с другом?
Вслед за этим открытием следует ответить на следующий фундаментальный вопрос: как этот сигнал передается от хлоропласта к ядру, чтобы изменить экспрессию генов внутри клетки? Доктор Дикинсон говорит, что сигнальная молекула, которая передает сигналы от хлоропластов к ядру, связана с фотосинтетической цепью переноса электронов: «Первоначально из фотосинтетической цепи переноса электронов исходит какой-то сигнал, который передается ядру для активации гена. выражение, но что это за сигнал, пока не ясно. Возможно, это может быть перекись водорода, потому что было показано, что она перемещается из хлоропласта в ядро, чтобы инициировать передачу сигналов, но еще многое предстоит изучить, чтобы подтвердить природу передачи сигналов».
Практическое применение
Начальник доктора Дикинсона в лаборатории Сейнсбери, доктор Фил Вигге, говорит, что жизненно важно определить гены и генетический фон, которые придают повышенную устойчивость к тепловому стрессу: «Многие культуры, выращиваемые сегодня во всем мире, уже выращиваются на вершине их зоны комфорта с точки зрения температуры. На самом деле есть оценка, что для основных культур, таких как пшеница, рис и кукуруза, каждый градус Цельсия повышения температуры выше текущих температур может потенциально снизить урожайность на 3-7% из-за Вклад, который мы пытаемся внести в лаборатории, состоит в том, чтобы понять молекулы и лежащие в их основе механизмы, которые контролируют то, как растение воспринимает температуру, и гены, необходимые растению для адаптации к более высоким температурам. И мы надеемся, что затем сможем использовать эту информацию, чтобы обнаружить те же гены у сельскохозяйственных культур и посмотреть, можно ли использовать эти гены для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к тепловому стрессу».