Ученые провели серию уникальных и необычных экспериментов для лучшего понимания циркадных ритмов растений, что поможет создавать устойчивые к климату культуры.
эксклюзив 🔹
Многое из того, что мы знаем о циркадных ритмах растений, получено в результате лабораторных экспериментов, в ходе которых можно строго контролировать такие факторы, как свет и температура. Меньше известно о том, как эти биологические механизмы синхронизации работают в более непредсказуемом естественном мире, где они эволюционировали, чтобы приспосабливать живые существа к суточным и сезонным циклам.
Новаторское совместное исследование британских и японских ученых помогло получить некоторые ответы с помощью серии инновационных полевых экспериментов, которые показывают, как растения сочетают сигналы часов с сигналами окружающей среды в естественно меняющихся условиях.
Исследовательская группа из Центра Джона Иннеса, Киотского университета и Лаборатории Сейнсбери, Кембридж, разработала статистические модели на основе этих полевых исследований, которые могут помочь нам предсказать, как растения, в том числе основные сельскохозяйственные культуры, могут реагировать на будущие температуры.
«Наше исследование подчеркивает ценность международного сотрудничества в междисциплинарном научном прогрессе. Удивительно наблюдать, как процессы, которые мы выявили в лаборатории, также влияют на растения в естественных условиях», — сказал старший автор профессор Энтони Додд, руководитель группы в Центре Джона Иннеса.
Профессор Хироши Кудо из Киотского университета сказал: «Любая живая система развивалась в контексте своей естественной среды обитания. Предстоит проделать большую работу по оценке функции генетических систем в естественных условиях. Это исследование было задумано как одно из стартовых такого начинания».
Предыдущее исследование группы профессора Додда выявило генетический путь, находящийся под контролем биологических часов, который защищает фотосинтезирующие растения от повреждения клеток в условиях яркого света и холода.
В настоящем исследовании, опубликованном в PNAS , команда поставила перед собой задачу выявить этот же механизм в природе, опираясь на обширный массив исследований « in natura » под руководством профессора Хироши Кудо.
В ходе двух полевых исследований, проведенных в период мартовского и сентябрьского равноденствия, они проанализировали естественную популяцию растений Arabidopsis halleri (резуховидка Геллера из семейства крестоцветных, травянистое растение) на сельском полевом участке в Японии. Ученые отслеживали, как экспрессия генов в растениях менялась в течение 24-часовых циклов при изменении освещенности и температуры.
Эксперименты включали извлечение РНК из растений каждые два часа, замораживание образцов и доставку их в лабораторию для анализа, чтобы можно было отслеживать уровни экспрессии генов в тканях.
Команда также построила оборудование, которое позволило им манипулировать температурой вокруг растений. Это позволило им воссоздать условия, которые они создали в лаборатории в своем предыдущем исследовании.
Растения очень чувствительны к красному и синему свету, поэтому, чтобы не повлиять на результаты эксперимента, ученые надевали зеленые фильтры поверх своих налобных фонариков, что фактически означало, что они были невидимы для растений во время ночных визитов.
«Удивительно, насколько трудно различать зеленые растения с помощью зеленого налобного фонарика посреди ночи, под проливным дождем», — заметил профессор Додд.
Используя информацию, собранную из образцов, исследователи наблюдали закономерности в экспрессии генов в ранее открытом генетическом пути, который интегрирует информацию от циркадных часов растений со световыми и температурными сигналами.
Собранные данные показали, что растения в диких популяциях проявили такую же чувствительность к холоду и ярким рассветным условиям, как и ранее наблюдавшаяся в лабораторных экспериментах.
На основе этой информации группа разработала статистические модели, которые точно предсказывают, как активность экспрессии генов, контролируемая циркадными часами, будет реагировать на сигналы окружающей среды в течение дня в природе.
«Мы считаем, что это первый случай, когда удалось смоделировать целый сигнальный путь циркадных часов у растений, растущих на открытом воздухе. Если мы сможем создать модели, которые точно предскажут экспрессию генов в зависимости от условий окружающей среды, то, возможно, станет возможным вывести растения, способные адаптироваться к будущим климатическим условиям», — сказал профессор Додд.
Доктор Харуки Нисио из Университета Сига, соавтор исследования, сказал: «Гибкость байесовского моделирования временных рядов позволила нам распутать сложную интеграцию сигналов в естественных условиях. Этот подход оказался особенно эффективным для исследований, проводимых в сложных экологических условиях».
В этом исследовании изучались реакции растений на уровне экспрессии генов. Следующим этапом исследования является применение статистических моделей, полученных в этом исследовании, к функциям физиологии растений, таким как скорость фотосинтеза или адаптация к температуре.
Доктор Дора Кано-Рамирес, исследователь циркадных часов в настоящее время в лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета и один из первых авторов исследования, сказала: «Циркадные часы регулируют многие ключевые процессы растений, как показали исследования в лабораторных условиях, однако до сих пор мы не знали, в какой степени эти процессы переносятся в полевые условия. Понимание того, как циркадные процессы согласуются с изменяющейся окружающей средой путем моделирования этого сигнального пути, может быть полезным для прогнозирования реакций растений в условиях все более непредсказуемого климата».
Источник: John Innes Centre. Автор заглавного фото: Хироши Кудо.
