Растения измеряют температуру глазами

Международная группа исследователей во главе с учеными из Кембриджского университета обнаружила молекулярный термометр, который позволяет растениям определять время года и момент начала цветения по сезонным изменениям температуры. Они выяснили, что так называемые фитохромы — молекулы, днем служащие фоторецепторами — по ночам превращаются в термометры. Одновременно группа из Аргентины и США обнаружила еще одну особенность фитохромов, позволяющую им переключаться между двумя состояниями и диктовать геному растений, когда следует оставаться в тени, а когда — из нее выбираться. Статьи об этих открытиях были опубликованы в последнем номере журнала Science.

Фитохромы — светочувствительные белки, подобные фотопигментам, что находятся в сетчатке наших глаз. Есть три разновидности фитохромов — A, B и С. В ходе исследований, направленных на создание сортов растений, которые бы лучше адаптировались к изменяющимся условиям, группа из Университета штата Вашингтон в Сент-Луисе создала библиотеку фитохромов-мутантов В, часть из которых была более или менее чувствительна к свету, чем их дикорастущие аналоги. Чтобы лучше понять, как эти мутанты работают, ученые связались с аргентинской лабораторией Хорхе Казаля Института биохимических исследований в Буэнос-Айресе, где растения выращивались в широком диапазоне тщательно контролируемых условий.

Исследуя разновидности арабидопсиса (Arabidopsis, Резуховидка), ученые получили результаты, которые нельзя объяснить, если не предположить, что фитохром обладает чувствительностью не только к свету, но и к температуре.

Выйти из тени

Ученые выяснили, что фитохром В способен переключаться между двумя формами, одна из которых, Pfr, реагирует на красный свет, хорошо представленный в спектре дневного солнечного освещения, а другая, Pr, на дальний красный свет, которого много в тени. Умная система анализирует эти переключения и говорит растению, когда ему надо выбираться из тени.

Как только солнце садится, фитохром из формы Pfr переходит в форму Pr, а восход вызывает обратное переключение. В результате растение «узнает» длительность ночи, а следовательно, и календарное время года. Но оно делает это намного быстрее, чем это может позволить светочувствительность. Ученые предположили, что фитохром реагирует также и на температуру, иначе они просто не могли объяснить полученные ими результаты.

Ученые сконцентрировались именно на том механизме, благодаря которому глаз растения становится его термометром и передает соответствующие приказы, включающие или отключающие гены его роста. В частности, они выяснили, что в темноте фитохромы работают подобно ртутному градуснику, изменяя свое молекулярное состояние прямо пропорционально изменению температуры.

«В активном состоянии фитохромы замедляют рост растения, — утверждает первый автор статьи, Филипп Вигге из Кембриджа. — Днем солнечный свет активизирует их, однако ночью фитохромы быстро инактивируются, вынуждая растение тянуться вверх, чтобы выбраться из тени и добраться до солнечного света. Все эти изменения происходят очень быстро, меньше чем за секунду. Причем, чем ниже температура, тем неохотнее фитохромы переходят в неактивное состояние, тем меньше времени остается у растения для роста. Например, поэтому зимой они растут медленнее. И степень этого перехода в неактивное состояние прямо пропорциональна изменению температуры.

Объясняя приметы

Кембриджские ученые разъяснили народную британскую примету, по которой весну следует ождать солнечную и теплую, если дуб зацветает раньше ясеня, и дождливую, если ясень в своем цветении опережает дуб. По словам Вигге, дубы больше ориентируются на температуру, в то время как ясень растет, измеряя длительность светлого времени дня и определяя таким образом календарное время, когда ему полагается ускорять рост. Чем теплее весна, тем вероятнее жаркое лето, что и заставляет дуб покрываться листьями раньше ясеня. При меньших температурах он не спешит это делать, и тогда ясень, полагаясь на календарь больше, чем на погоду, раскрывает почки скорее дуба.

Обе команды, заявившие о себе статьями в Science, работают независимо друг от друга, но активно обмениваются своими планами и результатами. И для тех, и для других эти статьи стали кульминацией двенадцатилетних исследований. Ученые надеются, что их открытия вскоре можно будет перенести «в поле».