Изучение генетических механизмов, регулирующих работу внутренних часов растений и определяющих время их цветения, позволит расширить зону возделывания ряда ценных сельскохозяйственных культур.
То, что жизненный цикл растений подчинен смене времен года и ориентирован на продолжительность светового дня, отнюдь не новость. Но каждое растение располагает еще и собственным календарем, который управляется внутренними биологическими часами. Теперь шотландские исследователи разработали своего рода компьютерную модель, которая отражает это сложное взаимодействие двух сигналов, регулирующих всю жизнь растения.
В лаборатории Эндрю Миллара (Andrew Millar), профессора Эдинбургского университета, жизнь практически не зависит от положения Солнца на небе. Снаружи дни и ночи сменяют друга в заданном природой ритме, а здесь, внутри помещения, сменой дня и ночи управляют таймеры. В каждой из специальных климатизированных ячеек с подопытными растениями – свой суточный ритм, поэтому световой день там может быть и коротким, и нормальным, и длинным, и даже бесконечным.
Резушка Таля – лабораторная мышь ботаников
Что касается объекта изысканий, то он стандартный: это резушка Таля (Arabidopsis Thaliana), вездесущий однолетний сорняк семейства крестоцветных, такой же незаменимый модельный организм для специалистов в области генетики растений, каким для ученых, занимающихся исследованиями в области генетики животных или биомедицины, являются мыши, червячок Caenorhabditis elegans и фруктовая муха Drosophila melanogaster. Профессор Миллар работает с трансгенной резушкой Таля, в геном которой он внедрил ген, позаимствованный у светлячка. В результате этой генетической модификации растения обрели способность мерцанием извещать ученого об активности того или иного гена. “Ген светлячка как бы открыл нам окно во внутренний мир растения, – поясняет профессор. – Мы используем высокочувствительные камеры, которые обычно применяются в астрономии для наблюдения за далекими галактиками. Это позволяет нам регистрировать активность генов, регулирующих внутренние часы резушки, следить за биоритмом каждого отдельного растения”.
Бесконечные ряды мерцающих растений, заполняющие лабораторию, помещены в условия, вынуждающие их приспосабливаться к самым разным циклам смены дня и ночи. Результаты этих экспериментов позволили ученому выявить и обобщить закономерности, диктующие растению оптимальный график развития. “Резушка Таля, широко распространенная в Европе, дает первые ростки осенью, – говорит профессор Миллар. – Зимует она под снегом в виде розетки. А с наступлением весны должна выбрать оптимальный момент для цветения”.
Внутренний календарь и биологический таймер растений
Если этот момент выбран правильно, резушка успевает за год отцвести дважды и дважды дать урожай семян. Механизм цветения запускается белком, который кодируется геном под названием Flowering Locus. Этот ген на протяжении почти всего года пребывает как бы в состоянии дремоты, из которого его выводит белок Constans. Ген, кодирующий этот белок, является одним из ключевых в комплексе, регулирующем внутренние часы растения. А внешним фактором, влияющим на работу часов, служит свет.
“Каждое утро до рассвета растение запускает, если хотите, своего рода внутренний таймер, – говорит профессор Миллар. – Эту функцию выполняет белок Constans. Он синтезируется постоянно, но в темноте тут же и распадается. Но с рассветом два светочувствительных протеина блокируют его распад, и Constans начинает накапливаться. Сколько его успевает накопиться, зависит от продолжительности светового дня. В один прекрасный весенний день количество накопленного белка Constans превышает некую критическую отметку. В результате запускается весь каскад реакций, ведущих к цветению”.
Компьютерная модель механизма цветения
Те же механизмы внутренней регуляции действуют и в других растениях, будь то кукуруза или картофель, верба или липа. Даже сезонная течка у животных подчиняется сходным механизмам. В целом они чрезвычайно сложны – скажем, у резушки Таля шотландские ученые обнаружили три биохимических контура обратной связи, которые регулируются десятью светочувствительными протеинами. Исследователям удалось разработать компьютерную модель, описывающую этот механизм – пока, правда, она отражает лишь первый день регуляции процесса цветения резушки Таля. Но эта же программа позволит получить представление и о работе внутренних часов сельскохозяйственных культур – например, риса, – говорит профессор Миллар: “Те же гены, которые мы изучаем на примере резушки Таля, играют важную роль и в ценных культурных растениях. Как далеко на север можно продвинуть область возделывания риса, зависит от длины светового дня – вернее, от реакции растения на более короткий световой день. Изучить этот вполне конкретный прикладной вопрос помогут результаты наших, казалось бы, сугубо фундаментальных исследований”.
Тем более, что глобальное потепление вроде бы сулит возможность выращивать рис и в более северных регионах, чем сегодня. Но добиться там высоких урожаев удастся лишь в том случае, если ученые найдут способ “перевести” внутренние часы растения в соответствии с новым ритмом смены дня и ночи.