Раздвигая границы сельского хозяйства, чтобы накормить больше людей в более теплом мире, мы не понимаем, как растения чувствуют температуру.
Удивительно, но ученые из Университета Буэнос-Айреса в Аргентине и Вашингтонского университета в Сент-Луисе только что узнали, что датчики освещенности растений также реагируют на температуру.
Растения содержат специализированные светочувствительные белки, которые меняют форму при поглощении света, подобно фотопигментам в человеческом глазу. Все растения имеют три основных фоторецептора красного света, называемых фитохромами А, В и С.
В рамках усилий по созданию растений, которые могут переносить различные условия роста, Ричард Виерстра Джордж и Шармейн Маллинкродт, профессор искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, разработали библиотеку мутантов фитохрома B, в том числе те, которые гораздо более или менее чувствительны к свету, чем растения дикого типа.
Чтобы лучше понять свои мутантные растения, лаборатория Vierstra поделилась ими с лабораторией Хорхе Дж. Касала в Аргентине, где докторант Мартина Легрис выращивала их в самых разных тщательно контролируемых условиях.
"Мы получили "странные" результаты, которые нельзя было объяснить, если только фитохром, с которым мы работали, не был чувствителен как к температуре, так и к свету", - сказал Виерстра.
По мере повышения температуры некоторые растения, подвергающиеся постоянному воздействию солнечного света, вырабатывают меньше биологически активной формы фитохрома В, а не больше, как можно было бы ожидать.
При летних температурах эти растения ведут себя так, как будто они находятся в тусклом свете, даже если они находятся на ярком солнце.
Выводы будут опубликованы в выпуске журнала Science от 27 октября вместе с сопутствующей статьей о датчиках температуры растений, подготовленной лабораторией Кембриджского университета в Англии.
Переключатель с дрожанием
Вьерстра объясняет, что фитохромные белки работают, переключаясь между двумя формами, называемыми Pr и Pfr.
Форма Pr лучше всего поглощает красный свет, которого много на ярком солнце. При поглощении красного света фитохром переходит в состояние Pfr, которое лучше поглощает дальний красный свет, преобладающий в тени. Когда Pfr поглощает дальний красный свет, он снова переключается на форму Pr.
Эта умная маленькая система способна обнаруживать множество различных качеств света, включая интенсивность света (закодированную в скорости, с которой молекула отскакивает от одной формы к другой) и цвет света (закодированный в отношение формы Pfr к форме Pr). Интенсивность подсказывает семени, когда оно должно появиться из почвы, а цвет подсказывает посевному материалу, когда ему нужно вырасти в высоту, чтобы избежать тени.
«Прелесть этого метода в том, что вы можете очистить фитохромы, поместить их в пробирку и наблюдать, как они меняют форму, просто освещая растворы красным или дальним красным светом», - сказал Виерстра. «Значит, они не плод нашего воображения».
Песочные часы, которые работают слишком быстро
Но это описание не учитывает одно преобразование. Pfr может преобразовываться в Pr путем поглощения дальнего красного света, а также с помощью процесса, называемого термической реверсией, который происходит без света.
Люди думали, что термореверсия работает как песочные часы, сказал Виерстра. Как только солнце зашло, песочные часы заработали, и Pfr начал капать обратно в форму Pr. Затем количество Pfr в конце ночи сообщало растению, как долго длилась ночь.
Это важно, потому что продолжительность ночи меняется в зависимости от сезона, особенно вдали от экватора. Таким образом, изменение продолжительности дня (и ночи) помогает растениям определить свое место в сезонном цикле, что, в свою очередь, помогает им цвести в нужное время года.
Никто не смог проверить идею о том, что термическая реверсия представляет собой песочные часы или таймер. Но пока они возились с фитохромом B, лаборатория Vierstra создала мутанты фитохрома, которые были быстрыми ревертерами и медленными ревертерами. И эти мутанты были среди тех, кто путешествовал по Аргентине.
Когда они выращивали растения, лаборатория Казальса получила странные результаты, которые они могли понять, только если термическая реверсия происходит намного быстрее, чем кто-либо предполагал; и только если скорость реверсии очень чувствительна к температуре. Другими словами, единственная возможная интерпретация заключалась в том, что фитохром В в растении дикого типа (немодифицированном) является датчиком температуры, а также датчиком света.
«Завод ищет Pfr, который сообщает ему, что свет горит», - сказал Виерстра. «На солнечном свете растение медленно производит все больше и больше Pfr, пока реакция, которая превращает Pr в Pfr, не достигнет насыщения. Но по мере повышения температуры тепловая реверсия начинается так быстро, что растения накапливают относительно мало Pfr.
«Можно ожидать, что при более высоких температурах реакция Pr-> Pfr пойдет быстрее, - сказал Виерстра, - и, вероятно, так оно и есть, но термическая реверсия идет еще быстрее. Она стирает световой сигнал, потому что реакция реверсии более чувствителен к температуре, чем создающий световой сигнал.
«Вы можете предсказать, что произойдет с повышением температуры», - сказал Виерстра. «Растения, производящие много Pfr, невысокие, ярко-зеленые и счастливые. Но термическая реверсия будет снижать Pfr при более высоких температурах, так что растения будут реагировать так, как если бы они находились в темноте (даже если они находятся на свету), и расти. высокий и длинноногий."
«Сейчас мы еще не знаем, является ли датчиком температуры просто фитохром B», - сказал Виерстра. Поэтому прямо сейчас члены его команды, в том числе научный сотрудник Сете Берджи, пытаются провести точные измерения других фитохромов. «Как только мы это выясним, мы сможем создавать мутантов, которые будут менее или более чувствительны к температуре, модифицируя тепловую реверсию."
Прихожу с холода
«С фитохромами труднее всего работать, - говорит Виерстра. «Вы должны провести четыре дня в темноте, чтобы очистить их. Они невероятно нестабильны, присутствуют в очень малых количествах и имеют всевозможные варианты. И, в отличие от большинства других белков, их аминокислотные последовательности также не Не расскажите нам, как работают фитохромы.
Поэтому, когда люди очищают фитохромы, они хотят, чтобы белки были как можно более счастливыми, а это означает, что они должны быть максимально холодными. Все эксперименты проводятся на льду!
"Вот почему мы до сих пор не понимали, что фитохромы могут действовать как датчики температуры!"