Ученые обнаружили новый механизм восприятия света и тепла растениями

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Байройта и Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе описали ранее неизвестный механизм восприятия света и тепла растениями. Результаты способствуют лучшему пониманию физиологических процессов растений. Исследование опубликовано в журнале The Plant Cell.

Растения могут воспринимать свет и тепло через так называемые фитохромы и использовать эти пигменты для запуска жизненно важных реакций, таких как рост. Изменение климата и постоянное повышение температуры могут нарушить метаболизм растений, что замедлит рост и может привести к гибели растений, включая сельскохозяйственные культуры.

На этом фоне понимание молекулярной основы механизмов, контролирующих восприятие света и тепла у растений, имеет важное значение. Результаты также могут привести к прогрессу в контроле клеточной активности светом (оптогенетика), в биотехнологии и в фундаментальных исследованиях.

Растения должны постоянно адаптироваться к различным условиям окружающей среды, таким как различные температуры и условия освещения в течение дня. Эти стимулы воспринимаются на молекулярном уровне через фитохромы, которые меняют свое состояние при изменении температуры или длины волны. Они взаимодействуют с другими белками, такими как факторы взаимодействия с фитохромами (PIF), которые запускают физиологические реакции на стимулы, такие как рост.

Фитохромы реагируют на красный свет: в темноте фитохромы находятся в неактивном состоянии Pr; при облучении красным светом они переходят в активное состояние Pfr. Это изменение состояния можно обратить вспять, изменив температуру или облучением дальним красным светом с длиной волны от 710 до 740 нм. Эта реакция иллюстрирует двойную функцию фитохромов в восприятии тепла и света, т. е. как терморецепторов и фоторецепторов.

Центральным компонентом терморецепции фитохрома B кресс-салата Таля (Arabidopsis thaliana) является выраженная температурная зависимость перехода из состояния Pfr в состояние Pr. Это превращение ускоряется более чем в десять раз при температурах от 4°C до 27°C. Однако степень, в которой взаимодействие между фитохромом B и различными PIF может способствовать терморецепции растений, ранее была неизвестна.

Вот тут-то и появились профессор, доктор Андреас Мёглих и докторант Чэнвэй И из рабочей группы по фотобиохимии в Университете Байройта. Вместе с исследователями из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе они исследовали скорость образования и растворения комплексов фитохрома B и различных PIF под красным и дальним красным светом и при разных температурах. Растворение комплексов многократно ускорялось между 15°C и 30°C, тогда как это не касалось комплексообразования.

При исследовании взаимодействия фитохрома и PIF под красным светом исследователи столкнулись с неожиданным эффектом: при сильном непрерывном освещении степень образования комплекса уменьшалась с интенсивностью красного света вместо того, чтобы увеличиваться, как ожидалось. Причиной этого является быстрое, управляемое красным светом и двунаправленное преобразование между состояниями Pr и Pfr.

«Таким образом, фитохромы растений могут преобразовывать красный свет различной интенсивности и температуры в физиологические реакции посредством дополнительного, ранее неизвестного и, следовательно, неизученного молекулярного механизма», — говорит Чэнвэй И, первый автор исследования.

Результаты позволяют достичь прогресса в использовании фитохромов растений в биотехнологии, например, для точного контроля активации генов для производства белков. Они также оказывают влияние на восприятие и интеграцию сигналов света и температуры в растениях.