Ученые выяснили, как растения справляются со стрессом

Российские ученые описали сложную систему из нескольких десятков белков, которая помогает растениям переживать недостаточное или избыточное освещение, засуху, холод и перегрев. Оказалось, что эта регуляторная сеть связывает рецепторы, воспринимающие уровень освещения, с абсцизовой кислотой — одним из основных гормонов стресса у растений. Открытие этой связи поможет в условиях теплиц контролировать рост и стрессоустойчивость растений, регулируя спектральные характеристики света. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.

Абсцизовая кислота — основной стрессовый гормон, который помогает растениям переживать различные неблагоприятные условия, например засуху, высокие и низкие температуры, солевой и окислительный стресс. Поскольку стрессоустойчивость растений крайне важна для биотехнологии и сельского хозяйства, в последние годы ученые активно исследуют процесс синтеза и передачи сигналов абсцизовой кислоты в растительных клетках. В частности, биологи определили, что уровень этого гормона изменяется в ответ на интенсивность освещения: при затемнении или слишком ярком свете абсцизовой кислоты становится больше, и она помогает растению пережить неблагоприятные условия. Это происходит благодаря тому, что под ее действием в растениях синтезируется ряд пигментов и специальных молекул, которые защищают от ожогов из-за переизбытка света, удерживают в клетках воду, препятствуют образованию кристаллов льда, а также помогают перейти в состояние покоя. До сих пор оставалось неясным, как на молекулярном уровне сигнал от света идет к этому гормону.

Биологи из Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН (Владивосток) совместно с физиками из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) описали регуляторную сеть, благодаря которой растения одновременно воспринимают уровень освещения и в ответ на него контролируют сигналы абсцизовой кислоты. В первую очередь организм воспринимает поступающий на него солнечный свет с помощью рецепторов, называемых фитохромами. Именно их ученые выбрали первыми обязательными участниками передачи сигнала. Кроме того, у растений существует семейство рецепторов, которые связывают абсцизовую кислоту — PYR/PYL/RCAR, — таким образом «воспринимая» ее. Это вторые необходимые участники взаимодействия. Далее биологи определили, что на пути между фитохромами и PYR/PYL/RCAR сигнал передается по сложной сети, включающей более двух десятков белков-посредников.

Именно благодаря этой сети удалось доказать, что свет, воздействуя на гормон стресса, способен повышать холодовую устойчивость растений, активировать процессы прорастания семян и цветение, а также контролировать суточные ритмы. Кроме того, ученые определили, что несколько регуляторных белков-посредников участвуют в формировании стрессовой «памяти» — способности растений «запоминать» неблагоприятные условия и в будущем становиться менее восприимчивыми к ним.

«Наше исследование не только раскрывает важный механизм стрессоустойчивости растений, но также может лечь в основу создания новых сортов, у которых более активны какие-либо из регуляторных белков, повышающих устойчивость к стрессу. В дальнейшем мы планируем исследовать связь между системой восприятия света и другими биологически активными соединениями, например этиленом и брассиностероидами. Так мы сможем определить, есть ли другие механизмы, с помощью которых можно контролировать рост и жизненные циклы растений», — рассказывает Виктор Булгаков, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории биоинженерии Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН.