Когда приближается весна, как растения решают, что пора цвести? Группа ученых-растений под руководством KWAK Джун М. из Центра исследований старения растений Института фундаментальных наук (IBS) открыла новый механизм, объясняющий этот, казалось бы, простой, но на самом деле сложный вопрос. Их исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 11 ноября 2016 года.
В то время как некоторые животные впадают в спячку, ищут убежища или улетают в теплые края в самые холодные месяцы года, растения не могут свободно передвигаться, поэтому старайтесь преодолевать экологические стрессы, рассчитывая свои физиологические процессы. И для этого на помощь приходит эпигенетика. «Растения, которые цветут слишком рано, рискуют неудачно размножаться. Поэтому у растений выработался эпигенетический механизм, который регулирует время их цветения», - объясняет Ким Юн Джу, первый и соответствующий автор этого исследования.
Для изучения цветения ученые IBS использовали Arabidopsis thaliana, небольшое растение, родственное горчице. У арабидопсиса маленькие белые цветки, происходящие из цветочных стволовых клеток. Стволовые клетки сохраняются на начальной стадии развития, затем дифференцируются в четыре чашелистика, четыре лепестка, шесть тычинок и два сросшихся плодолистика.
Эпигенетическая регуляция является одним из основных механизмов контроля времени цветения. Он регулирует экспрессию генов посредством химических модификаций ДНК и взаимодействующих с ней белков, но без изменения последовательности ДНК. Если представить ДНК, содержащуюся в каждой клетке, как большую книгу, содержащую всю информацию, то эти химические модификации можно рассматривать как закладки, указывающие клетке, какие страницы читать, а какие пропускать с течением времени. Определенный тип химической модификации, называемый ацетилированием, происходящий в ДНК-связанных белках (гистонах), может усиливаться или устраняться специфическими белками. У арабидопсиса есть по крайней мере 18 белков, которые удаляют эти химические модификации и называются деацетилазами гистонов (HDAC). Какие мишени HDACs, как они координируются друг с другом и как они взаимодействуют с другими белками, до сих пор неясно. Это исследование обнаружило белки, которые взаимодействуют с одной из этих химических модификаций, контролирующих время цветения.
Исследователи IBS сосредоточились на девятом HDAC, известном как HDA9. Известно, что этот белок регулирует несколько биологических процессов, таких как время цветения, период покоя семян и реакцию на стресс. Команда обнаружила, что растения, лишенные этого белка, цвели раньше и имели увеличенные плоды, что указывает на нарушение регуляции активности стволовых клеток. То же самое происходит, когда отсутствуют POWERDRESS (PWR) (белок, уже изученный той же исследовательской группой для регуляции цветочных стволовых клеток) или HDA9 и PWR.
Ученые обнаружили, что PWR и HDA9 образуют белковый комплекс, который удаляет химические модификации белка, связанного с ДНК, называемого гистоном 3. Точно так же удаление закладки из «книги ДНК» означает, что вы не необходимо прочитать страницы рядом с закладкой, удаление этой химической модификации снижает выработку AGL19, белка, вызывающего раннее цветение. Таким образом, растения поддерживают нормальное время цветения.
«PWR, HDA9 и AGL19 регулируют время цветения. Растение с пониженным PWR и HDA9 имеет повышенный уровень AGL19 и цветет раньше», - объясняет Ким. «Противоположная ситуация, то есть сверхэкспрессия PWR и HDA9, еще не проверялась».
Следующей задачей для команды является изучение других химических модификаций (или «закладок») гистонов растений и выяснение того, как эти различные химические модификации вместе регулируют цветение.