Растения не могут просто переселиться в лучшее окружение, когда их условия окружающей среды больше не подходят. Вместо этого они разработали сложные механизмы молекулярной адаптации. Ученые Мюнхенского технического университета (TUM) в сотрудничестве с Мюнхенским центром Гельмгольца и Ноттингемским университетом смогли продемонстрировать, что брассиностероиды, которые до сих пор считались главным образом гормонами роста, повышают устойчивость растений к морозам.
«Стресс, вызванный холодом, - это воздействие окружающей среды, которое оказывает прямое влияние на рост и урожайность растений», - говорит молекулярный биолог растений, профессор Бриджит Поппенбергер. Со своей исследовательской группой в Институте биотехнологии садовых культур при ТУМ она исследует механизмы, используемые растениями для адаптации к внешним воздействиям. Ее исследовательская деятельность уже довольно давно сосредоточена на брассиностероидах.
В более ранней работе ее группа уже использовала кресс-салат обыкновенный (Arabidopsis thaliana) в качестве модельного растения, чтобы точно продемонстрировать, как этот растительный гормон, впервые обнаруженный в семенах рапса в 1979 году, способствует росту растений. На самом деле давно было известно, что этот гормон играет роль в развитии растений. Однако точный механизм действия был неизвестен. Именно работа экспертов по биотехнологии из Школы наук о жизни ТУМ в Вайнштефане впервые позволила получить точное представление об этом явлении.
Неслучайно команда Бриджит Поппенбергер снова выбрала арабидопсис для текущего исследования. Благодаря своей относительно неприхотливой природе, простой структуре и компактным размерам, это не просто фаворит среди генетиков в целом - крошечное растение также обеспечивает оптимальные условия для поиска механизмов защиты растений от холода, поскольку оно способно выживать. низкие температуры и повысить его устойчивость к морозу, адаптируясь к холоду. В текущем выпуске специализированного журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ученые описывают доселе неизвестную сторону брассиностероидов, которые до сих пор были известны как гормоны роста..
Чтобы получить детальное представление об их механизмах, исследователи провели эксперименты, в которых они подвергали растения арабидопсиса воздействию медленно снижающихся температур. Лабораторные эксперименты с сортами дикого типа показали, что при снижении температуры растение начинает изменять экспрессию генов, для которых ДНК транскрибируется в РНК внутри его клеток. «Это уменьшает его рост, что увеличивает его шансы на выживание», - объясняет Поппенбергер, описывая естественный защитный механизм обычных растений.
Молекулярный путь к «зимнему жиру»
Исследователи получили другой результат в своих экспериментах с генетически модифицированными модельными растениями, которые больше не способны сами синтезировать брассиностероиды или распознавать их как сигнал. В то время как сортам дикого типа часто еще удавалось выживать при температурах ниже шести градусов ниже нуля, у большинства мутантов к этому моменту уже проявлялись явные признаки повреждения, что свидетельствует о существенной роли стероидных гормонов в этом процессе. Анализируя этот процесс, исследователи обнаружили, что брассиностероиды повышают морозостойкость, регулируя белок под названием CESTA. Этот белок использует сигнальный каскад для контроля экспрессии генов. Таким образом, он, в свою очередь, влияет на белковый состав клеток, что, среди прочего, приводит к изменению состава жирных кислот. Это гарантирует, что растение запасается своего рода «зимним жиром» на молекулярном уровне, тем самым защищая его от потенциального повреждения холодом.
Спрей-стероиды для растений
Эти точные данные о порядке и типе химических процессов для эффектов стероидных гормонов в растениях являются не только важным шагом вперед для фундаментальных исследований стратегий адаптации растений. Что еще более важно, по мнению исследователей, они также могут обеспечить решение проблем, возникших в сельском хозяйстве в результате изменения климата. Хотя люди обычно связывают глобальное потепление только с учащением жарких периодов, оно также вызывает увеличение количества заморозков, таких как ранние и поздние заморозки, которые могут привести к разрушительным потерям урожая. «Традиционный метод разведения более устойчивых растений пока не очень успешен, так как трудно разделить устойчивость к холоду и снижение роста», - говорит Бриджит Поппенбергер. Но она убеждена, что «наше открытие, что брассиностероиды усиливают как рост, так и устойчивость к холоду, откроет новые возможности для проявления обеих характеристик у растений». Она утверждает, что также можно опрыскивать культурные растения брассиностероидами для достижения обоих эффектов. «Это может быть жизнеспособным методом - по крайней мере, так говорят результаты».