Для покрытосеменных - или цветковых растений - одно из самых важных решений, с которыми они сталкиваются каждый год, - это когда зацветать. Это не тривиальное предприятие. Чтобы зацвести, они должны прекратить вегетативный рост и посвятить себя созданию тех энергозатратных репродуктивных структур, которые дадут начало следующему поколению.
Знание этого процесса на клеточном уровне имеет решающее значение для понимания того, как растения распределяют ресурсы и производят компоненты, о которых мы больше всего заботимся, включая зерна, клубни, листья, орехи и фрукты, которые так много значат как для людей, так и для животных..
В статье, опубликованной 24 сентября в журнале Nature Plants, международная группа исследователей обнаружила, что ген FT - основная движущая сила перехода растений к цветению каждую весну - делает что-то неожиданное в растениях Arabidopsis thaliana. выращенных в естественной среде, с последствиями для искусственных условий выращивания, которые ученые обычно используют в лаборатории. Команда, возглавляемая профессором биологии Вашингтонского университета Такато Имаидзуми, показала, что пик активности FT каждое утро приводит к переходу, чего ученые ранее не наблюдали у арабидопсиса, модельного растения, широко изучаемого для понимания молекулярного строения. детали перехода к цветению. Утренний пик активности FT приводит к более раннему переходу растений от вегетативного роста к цветению.
«Предыдущее исследование активности FT арабидопсиса показало, что пик активности приходится на вечер, а не на утро», - сказал Имаидзуми, старший автор статьи.«Мы определенно показываем, что существует пик утренней активности, и мы думаем, что знаем, почему этот утренний пик не наблюдался ранее в исследовательской лаборатории».
Предыдущее исследование, в ходе которого наблюдался только вечерний пик активности гена FT, было проведено на растениях арабидопсиса, выращенных в помещении при флуоресцентном освещении. Имаидзуми и его команда, в которую входят исследователи из Швейцарии, Шотландии, Южной Кореи и Японии, выращивали свои растения на открытом воздухе под солнечным светом.
Имаидзуми хотел провести этот эксперимент, потому что условия летнего солнцестояния в Сиэтле, где расположена его лаборатория, аналогичны стандартизированным искусственным условиям выращивания арабидопсиса «длинного дня»: 16 часов света и восемь часов. тьмы.
«Я всегда хотел выращивать растения на открытом воздухе в условиях, похожих на лабораторные, просто чтобы убедиться, что то, что мы видим в лаборатории с арабидопсисом, действительно происходит в природе», - сказал Имаидзуми.
Его команда выращивала нетрансгенные растения арабидопсиса на открытом воздухе в течение пяти лет подряд и сравнила их с растениями, выращенными в помещении в условиях искусственного длинного дня. У уличных растений было меньше листьев, чем у комнатных, что указывает на то, что уличные растения зацвели раньше. Как у комнатных, так и у уличных растений наблюдался вечерний пик активности FT-гена, но растения, выращенные на открытом воздухе, также демонстрировали утренний пик активности FT. Они пришли к выводу, что искусственные условия выращивания в помещении упускают из виду ключевые качества естественных условий, снижая экспрессию гена FT и признака, которым он управляет. Активный ген FT продуцирует белок, который перемещается от листьев к апикальной меристеме побега - нише стволовых клеток в побеге, обеспечивающей надземный рост, - и переключает меристему с вегетативного роста на рост цветков.
Чтобы выявить различия между условиями выращивания в помещении и на открытом воздухе, группа Имаидзуми сосредоточилась на освещении. Флуоресцентные лампы, обычно используемые в исследованиях арабидопсиса, не излучают свет с той же длиной волны, что и солнечный свет. Люминесцентные лампы, например, генерируют меньше света в дальнем красном диапазоне. На участках для выращивания на открытом воздухе отношение длины волны красного света к длине волны дальнего красного было примерно 1 к 1, но для люминесцентных ламп это отношение выше 2, что означает, что они излучают больше красного света, чем дальнего красного. Когда исследователи добавили светодиодную лампу дальнего красного цвета во внутренние камеры выращивания, чтобы имитировать внешний свет, растения арабидопсиса показали утренний пик активности гена FT.
Кроме того, путем изменения температуры в закрытых вегетационных камерах, чтобы она ежедневно менялась от примерно 16 градусов по Цельсию до почти 23 градусов по Цельсию или с 61 градуса по Фаренгейту до примерно 73 градусов по Фаренгейту, вечерняя активность гена FT была снижена, подобно уличные растения.
FT изучали на других растениях, в том числе на некоторых сельскохозяйственных культурах, которые также демонстрируют утренние пики экспрессии FT. Но большинство коммерчески важных растений слишком велики или растут слишком медленно для исследований в контролируемой среде, которые необходимы для определения клеточных и генетических деталей признаков растений. Вот почему арабидопсис, небольшой быстрорастущий сорняк из семейства горчичных, широко используется в качестве замещающего модельного организма.
По словам Имаидзуми, выводы команды дают возможность пересмотреть искусственные условия выращивания.
«Арабидопсис изучали десятилетиями. Исследователи настраивали свои условия выращивания в помещении как можно лучше, имея оборудование, время и финансирование, и передавали эти условия ученым, которых они обучали», - сказал Имаидзуми. «Но нам нужно изменить эти условия, чтобы то, что мы находим в лаборатории, более точно отражало природу. Если мы увидим изменения в цветении, внеся эти незначительные изменения, я полагаю, что другие черты также изменятся».
Крайне важно, что их результаты проливают свет на путь вперед для исследователей растений, чтобы принять условия искусственного роста, которые более точно отражают естественные условия выращивания.
«Мы показываем, что требуется всего несколько простых модификаций искусственных условий выращивания, которые исследователи используют во всем мире, чтобы лабораторные исследования арабидопсиса и других растений точно имитировали условия выращивания в открытом грунте», - сказал Имаидзуми.«Это гарантирует, что открытия, сделанные в лаборатории, будут более сопоставимы с биологическими процессами - на клеточном и молекулярном уровне - в других растениях, представляющих интерес в природе».