Недавнее присуждение Нобелевской премии по физиологии и медицине трем американским исследователям Холлу, Росбашу и Янгу за их «открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы», значительно популяризировало этот термин, происходящий от латинских слов "около" (вокруг) и "умереть" (день)-. Благодаря открытиям, сделанным этими учеными с помощью плодовой мушки, сегодня мы знаем, что у организмов есть внутренние часы, построенные из набора клеточных белков, количество которых колеблется с периодом в 24 часа. Эти автономные колебания объясняют, как живые организмы адаптируют свой биологический ритм так, чтобы он был синхронизирован с вращением Земли.
У растений, как и у животных, тоже есть внутренние часы. Фактически, первые гипотезы о существовании циркадных часов в живых организмах возникли при наблюдении за движением листьев и цветов у растений. Например, листья мимозы ночью закрываются, а днем открываются. В 1729 году французский астроном Жан Жак д'Орту де Меран поместил растение мимозы в темноту и заметил, что, несмотря на отсутствие светового раздражителя, листья по-прежнему ритмично открываются и закрываются в соответствующее время дня.
Современные молекулярные биологи хорошо знают, что растение, которое они чаще всего используют в качестве модели, Arabidopsis thaliana, удлиняет стебель незадолго до рассвета, когда дни короткие (зимой). Исследования последних лет показали, что это удлинение стебля у молодых проростков контролируется белками PIF, накопление которых в клетках зависит от солнечного света. Таким образом, свет способствует деградации белков PIF в течение дня. Однако ночью белки PIF накапливаются внутри клетки и непосредственно перед рассветом способствуют росту стебля растения. Но почему молодой стебель растет только перед рассветом, а не всю ночь?
Ответ на этот вопрос пришел с работой, опубликованной в 2016 году группой под руководством исследователя CSIC из Центра исследований сельскохозяйственной геномики (CRAG) Елены Монте. Это исследование показало, что белок внутренних часов (TOC1 или PRR1) действует как ворота в течение ночи, позволяя PIF действовать только в конце ночи. Теперь новое исследование той же исследовательской группы CRAG, опубликованное на этой неделе в журнале Current Biology, расширяет эти результаты. Елена Монте вместе со своей командой и сотрудниками обнаружила, что другие компоненты одного и того же семейства белков внутренних часов - PRR - действуют последовательно в течение дня и большей части ночи, подавляя действие белков PIF.
Как и белки часов, описанные лауреатами Нобелевской премии, количество различных белков PRR (PRR1, PRR5, PRR7 и PRR9) колеблется последовательно в течение 24-часовых периодов. К концу ночи общее количество белков PRR в клетке достигает своего минимума, позволяя действовать белкам PIF, которые из-за отсутствия света находятся на пике своей максимальной концентрации. Таким образом, хотя некоторые белки PIF обнаруживаются в дневные часы, они не могут способствовать вытягиванию стебля до конца ночи, когда открываются ворота, совпадающие с оптимальными влажностными условиями для вытягивания..
Наши результаты показывают, что регуляция роста растений развилась у растений, чтобы охватить организованное последовательное действие PRR. Это демонстрирует двойную роль PRR: как регуляторов компонентов центральных часов и как физиологических репрессоров роста», - объясняет Елена Монте. «Благодаря этому исследованию мы узнали, как циркадные часы растений влияют на рост растений, что является важным процессом на агрономическом уровне», - добавляет Гиомар Мартин, первый автор работы, который в настоящее время работает в Институте науки им. Гюльбенкяна. (Португалия).
CDF5: новый ключевой ген роста стебля
В работе, опубликованной на этой неделе в Current Biology, авторы провели исчерпывающий анализ взаимодействий между белками и ДНК растения Arabidopsis thaliana. Этот анализ показал, что ген CDF5 индуцирует рост стеблей непосредственно перед рассветом. Исследователи показали, что экспрессия гена CDF5 строго регулируется объединением белков PIF (которые способствуют его экспрессии) и часовых белков PRR (которые предотвращают его экспрессию). Таким образом, CDF5 накапливается именно в предрассветную фазу, когда он индуцирует клеточное удлинение и, следовательно, удлинение стебля.
Чтобы проверить функцию этих генов и белков, исследователи наблюдали за ростом растений арабидопсиса, несущих мутации в этих генах. Растения, потерявшие один из генов семейства PRR (PRR7), росли дольше, чем их аналоги дикого типа. То же самое произошло с растениями, у которых исследователи модифицировали ген CDF5, чтобы он мог экспрессироваться в течение 24 часов, независимо от действия PIF и PRR.