Ученые могут включить реакцию растений на свет, что приведет к росту продуктов питания

Исследование этого генетического переключателя, проведенное UC Riverside, теперь опубликовано в журнале. Nature Communications.

Темные (слева) и светлые (справа) саженцы арабидопсиса. В темноте PIF3 (и другие PIF) полностью активны, поэтому саженец очень высокий. На свету фитохром B подавляет стабильность и активность PIF3, замедляя рост проростков. (Мэн Чен / UCR)

Свет влияет почти на все аспекты роста и развития растений. Растения способны воспринимать свет, а также температуру с помощью белка, называемого фитохромом B. Этот белок передает световую информацию в клетку, которая изменяет экспрессию геномов, изменяя рост растений. Однако фитохром B не может напрямую взаимодействовать с ДНК растения. Для этого растительные клетки полагаются на семейство из восьми белков, называемых PIF.

«Активность этих СДС напрямую контролируется фитохромом», – сказал ведущий автор исследования и профессор ботаники UCR Мэн Чен. Ученые выяснили, что помимо контроля количества СДС, которые накапливаются в клетках растений, когда фитохром В активируется светом, он подавляет активность СДС.

«PIFS похожи на поваров в ресторане. Вы можете регулировать их количество. Избавьтесь, например, от половины, и вы снизите продуктивность ресторана », – объяснил Чен. «В качестве альтернативы, вы можете оставить всех поваров – в нашем случае, PIFs – но связать им руки. Это могло также замедлить их работу, как избавление от половины из них. Вот о чем мы говорим ».

Ученые также обнаружили еще один ключевой компонент световой реакции растений. ПИФы состоят из двух частей; одна часть связывается с генами, а другая активирует гены, которые говорят растению выполнять различные функции, такие как рост или цветение. Это исследование показало точное расположение этих участков-активаторов – впервые это было сделано в клетках растений.

Чтобы найти эту область активации, команда Чена разделила белок на множество мелких кусочков. Затем они проверили, способен ли какой-либо из кусочков активировать гены, и обнаружили, что один из них активировал. Для более подробной информации ученые затем изменили аминокислоты в PIF, где, по их мнению, находится активаторная область, и наблюдали за реакцией растения. Это позволило им быть уверенным, где находится область активатора гена, а также как она устроена.

«Этот подход позволил нам неожиданно обнаружить сходство между этой частью PIF в растениях и белком, подавляющим опухоли, у людей», – сказал Чен. Фактически, Чен сказал, что основные механизмы активации генов в клетках растений, дрожжей и животных имеют поразительное сходство друг с другом.

«Растения, животные и грибы (например, пекарские дрожжи) произошли от общего предка», – сказал Чен. «Генетическая информация в ДНК преобразуется в РНК в белок, и эта основная функция сохраняется с помощью этих активаторов генов в трех царствах жизни до того, как растения, животные и грибы разошлись».

Одна из главных причин изучать эти клеточные функции – манипулировать ими. В этом случае открытие может позволить ученым включать и выключать гены, связанные со светом и температурой, чтобы принести пользу производителям сельскохозяйственных культур.

Частью стратегии повышения урожайности является выращивание большего количества растений на акр земли. В настоящее время, если вы разместите культуры слишком близко друг к другу, растения смогут «видеть» конкурирующих соседей через их тень. Тогда растения будут использовать больше энергии для роста к свету, но не обязательно для максимального роста листьев и производства семян.

В качестве альтернативы, если растения могут игнорировать своих соседей и сосредоточиться на производстве листьев и семян вместо того, чтобы расти выше, производители могут увеличить урожайность на той же площади.

«Вы не хотите, чтобы росли только стебли, вам нужен урожай», – сказал Чен. «Для этого растениям нужна энергия для образования листьев, чтобы они могли увеличивать фотосинтез, процесс производства пищи из солнечного света. Вы хотите, чтобы росла нужная часть растения ».

Группа Чена продемонстрировала, что, снижая активность белков PIF, они могут замедлить рост стебля. Таким образом, это исследование раскрыло точный способ сделать растения короче, чтобы семена, фрукты и съедобные части растения могли расти даже в тени.

«Теперь мы знаем, как растения включают и выключают гены в ответ на изменения света и температуры», – сказал Чен. «Это первый шаг к тому, чтобы контролировать их реакцию на свет и температуру и сделать их более терпимыми к различным, иногда сложным условиям окружающей среды в меняющемся климате».