30.05.2012

Как светолюбивые растения избегают тени

Ученые готовы вылечить сельскохозяйственные растения от «теневого синдрома»: открыт механизм, который заставляет растения в тени давать более длинные стебли и менее обильные плоды. Это поможет выращивать больше пшеницы, гуще засевая поля без потери урожайности.

Безвредные и «дружелюбные», на первый взгляд, растения живут в очень жесткой конкурентной среде, что особенно явно проявляется в борьбе за незаменимый для них источник жизни – солнечный свет. Его достаточное количество является обязательным условием для выживания растения.

Растения, напомним, – самые значимые и распространенные автотрофные организмы на Земле.

Автотрофы, в отличие от гетеротрофов, к которым относимся, например, мы с вами, способны вырабатывать органические вещества из углекислого газа, запасая в них энергию солнечного света.

Гетеротрофы способны только перерабатывать органические вещества в «кирпичики» собственного организма и расщеплять их для получения энергии. Кроме растений, автотрофами являются некоторые виды бактерий.

Таким образом, от способностей растений «добывать» солнечный свет во многом зависит все живое. И растения, неподвижно закрепленные корнями в почве, научились поворачиваться в сторону Солнца и расти в том направлении, в котором света больше. Если дерево растет рядом с высоким зданием, его крона будет бедной и ущербной со стороны здания и нормальной со стороны, где постоянной тени нет. И даже комнатные растения не сформируют симметричную крону, если их не поворачивать: со стороны окна рост будет более активным. Кроме того, светолюбивые растения в тени вместо приземистых, коротких толстых стеблей вырастят длинные и тонкие, пытаясь «найти» Солнце.

Ученые из Института биологических исследований Сэлка (США) смогли точно определить, как именно листья передают стеблям информацию о том, в каком направлении расти, чтобы избежать затенения.

Их работу публикует Genes and Development.

Исследователи обнаружили, что особый белок – фактор PIF7 – служит ключевым «почтальоном», передающим информацию от светочувствительных элементов клеток к регуляторной системе, определяющей рост стеблей.

«Мы знали, как листья «чувствуют» свет, и знали то, что ауксины – гормоны роста – управляют ростом стеблей. Но ничего не было известно о сигнальном пути, который связывает две эти фундаментальные системы.

Теперь мы знаем, что белок PIF7 «оповещает» систему роста о светообеспечении, и это дает нам новый инструмент для создания злаков, которые обладают особой способностью оптимизировать пространство, где они растут, для наиболее эффективного использования света и повышения урожая.

Растения, снабженные повышенной способностью развиваться с максимальным использованием солнечного света, пригодятся и для производства пищи, и для роста кормовых, и для биотоплива», – полагает руководитель работы, профессор Джоан Кори, директор лаборатории биологии растений, слова которой приводит пресс-служба института.

Растения собирают информацию о светообеспечении (в том числе о наличии вокруг растений-конкурентов) от фоточувствительных молекул в листьях. Эти сенсоры по длине волны красного света, падающего на листья, определяют, оптимально ли освещено растение или его частично затеняют.

Для исследования была выбрана любимая учеными резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) – быстрорастущий модельный организм, к тому же первое растение, геном которого был полностью расшифрован. Она светолюбива, и, конечно, когда ее листья обнаруживали, что оказались в затененном пространстве, они «отдавали приказ» стеблям расти более тонкими и длинными, чтобы дотянуться до света.

Если ученые оставляли растение в тени на длительный промежуток времени, это провоцировало более раннее цветение, а семян получалось меньше, чем обычно. Таким образом, растение готовилось к гибели и пыталось распространить свое потомство, чтобы оно оказалось в более солнечных условиях.

В сельском хозяйстве это явление известно как синдром уклонения от тени: зерновые дают меньший урожай, если посажены слишком частыми рядами.

Ранее ученым удалось обнаружить, что особый пигмент в листьях резуховидки, фитохром В (PHYB), переходит в возбужденное состояние и при воздействии красного света всех длин волн, запускающего фотосинтез, и при воздействии света с длиной волны, близкой к инфракрасному спектру (таков свет в тени). Однако обнаружить прямую связь между этой реакцией на свет и гормонами роста стеблей до сих пор не удавалось, пока профессор Кори и ее коллеги с помощью биохимических и генетических исследований не обнаружили PIF7 – молекулярное звено, связывающее в единую цепь световые сенсоры растения и систему выработки ауксинов.

Они показали, что, когда резуховидка помещена в затененное место, в листьях запускается целый каскад реакций: фоторецептор PHYB вызывает химические изменения в PIF7, который затем активирует гены, заставляющие клетки производить ауксин, чтобы вырастить более длинные стебли.

«Теперь мы не только знаем, что ауксин вырабатывается в листьях и переносится в стебли, стимулируя рост, но и то, как именно недостаток солнечного света стимулирует листья производить ауксин. Контроль такой важной функции оказался достаточно простым», – отмечает Кори.

Открытие переходит к специалистам по агрокультурам, которые попытаются вывести растения, менее подверженные синдрому уклонения от тени, а значит, способные производить большее количество зерна при уплотнении посевов.

София Нескучная

Источники:

1. Газета.Ru