В течение многих лет учёные считали, что растения ощущают изменения температуры в основном с помощью специализированных белков, и что эти механизмы активны преимущественно ночью, когда воздух прохладнее. Однако новое исследование, проведённое Мэном Ченом и его командой из Калифорнийского университета в Риверсайде, показало, что днём растения используют совершенно другой сигнал — сахар, вырабатываемый под действием солнечного света. Этот открытый путь помогает растениям определять тепло и принимать решения о росте и развитии.
Дневной сигнал — сахар
Исследование продемонстрировало, что растения полагаются на несколько систем для восприятия тепла, и что сахар играет центральную роль в реакции на суточные колебания температуры. Сахар в растениях — это не только источник энергии, но и сигнал, который помогает организму оценивать условия окружающей среды.
«Мы поняли, что сахар не только стимулирует рост, но и передаёт растению информацию о том, что сейчас тепло», — говорит Чэнь.
Методы исследования
Для экспериментов учёные использовали Arabidopsis, небольшое цветковое растение, широко применяемое в генетических лабораториях. Исследователи подвергали сеянцы воздействию температур от 12 до 27 градусов Цельсия в разных условиях освещения и наблюдали за ростом стебля (гипокотиля), который является классическим индикатором реакции на тепло.
Ключевые наблюдения:
- Фитохром B, светочувствительный белок, определял тепло только при слабом освещении.
- В условиях яркого дневного света термочувствительная функция фитохрома B снижалась, однако растения всё равно реагировали на повышение температуры.
- У мутантных растений, лишённых термосенсорной функции фитохрома B, реакция на тепло проявлялась только при наличии света. В темноте растения не росли выше.
- Добавление сахара в питательную среду восстанавливало температурную реакцию, что указывает на критическую роль сахара в дневном ощущении тепла.
Как сахар регулирует рост
Дальнейшие эксперименты выявили, что при повышении температуры растения начинают расщеплять запасённый крахмал в листьях, выделяя сахарозу. Этот сахар стабилизирует белок PIF4, который является ключевым регулятором роста. Без сахарозы PIF4 быстро разрушался и не мог выполнять свои функции.
Также важным оказался другой белок — ELF3, который действует как сенсор тепла. PIF4 активируется только при наличии сахарозы и при реакции ELF3 на тепло, что создаёт многослойный механизм:
- Днём солнечный свет запускает фотосинтез, производя сахар.
- Повышение температуры превращает крахмал в сахарозу.
- Сахар стабилизирует PIF4, позволяя белку участвовать в росте.
- Белок ELF3 обеспечивает дополнительную проверку температуры.
Таким образом, растения используют комбинацию энергии света и химических сигналов для точного контроля роста в дневное время.
Почему это важно?
Изменение климата приводит к экстремальным температурам и резким колебаниям температуры в течение дня. Понимание того, как растения ощущают тепло и реагируют на него, может помочь учёным и агрономам:
- Создавать сорта культур с более предсказуемым ростом.
- Увеличивать устойчивость к стрессу от жары.
- Оптимизировать использование удобрений и воды, поскольку растения смогут лучше адаптироваться к температурным изменениям.
Возможные практические применения:
- Разработка сельскохозяйственных культур, которые сохраняют урожайность при дневной жаре.
- Использование знаний о фотосинтезе и сахарной сигнализации для селекции растений, которые быстрее восстанавливаются после стрессов.
- Оптимизация условий теплиц и закрытого выращивания, где можно управлять светом и температурой, чтобы стимулировать рост.
Перспективы дальнейших исследований
Исследование Мэна Чэня открывает новые горизонты для понимания того, как растения интегрируют различные сигналы из окружающей среды. Сочетание света, сахара и белковых сенсоров создаёт сложную сеть, позволяющую растениям реагировать на дневные изменения температуры с высокой точностью.
Учёные планируют:
- Изучить, как этот механизм работает у сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, рис и кукуруза.
- Определить, можно ли использовать сахар или его аналоги для стимуляции роста растений в условиях жары.
- Исследовать взаимодействие между дневным и ночным тепловым сигналом, чтобы понять, как растения оптимизируют рост в течение всего дня.
Заключение
Долгое время считалось, что растения реагируют на тепло только ночью через специализированные белки. Новое исследование показало, что днём ключевую роль играет сахар, вырабатываемый под воздействием солнечного света. Он стабилизирует белки роста и позволяет растениям адаптироваться к температурным колебаниям.
Эти открытия не только меняют наше понимание биологии растений, но и открывают путь к новым методам устойчивого сельского хозяйства, особенно в условиях глобального изменения климата.