Растения вырабатывают гормоны для защиты фотосинтеза: удивительное открытие чешских ученых

Растительные гормоны цитокинины способны переводить листья, оказавшиеся в долгой темноте, в особое состояние, напоминающее сон. Этот механизм защищает аппарат фотосинтеза и позволяет растению быстро и безопасно «проснуться» при возвращении на свет. К такому выводу пришли ученые из Академии наук Чехии, Университета Палацкого в Оломоуце, брненского института CEITEC и Масарикова онкологического института.

Цитокинины — это гормоны, которые управляют множеством важных жизненных процессов в растениях. Уже несколько десятилетий науке известно, что они способны замедлять старение (сенесценцию). Это особенно хорошо заметно в экспериментах: если оторвать от растения листья, дать им воду, но оставить на несколько дней в темноте, они быстро потеряют зеленый пигмент хлорофилл и погибнут. Однако если обработать их цитокининами, этот процесс значительно замедлится.

До сих пор молекулярные механизмы этого явления не были точно описаны. За их изучение взялись исследователи под руководством Ондржея Плигала из Лаборатории регуляторов роста (совместное подразделение Института экспериментальной ботаники АН ЧР и Университета Палацкого) и Мартины Шпундовой с кафедры биофизики Университета Палацкого.

В качестве подопытного растения ученые выбрали резуховидку Таля — один из самых популярных объектов в биологических исследованиях. Они обрабатывали оторванные листья двумя веществами с цитокининовой активностью, помещали их в темноту и наблюдали за уровнем хлорофилла и его флуоресценцией (этот показатель позволяет оценить физиологическое состояние аппарата фотосинтеза).

Режим гибернации для листьев
«Применение обоих цитокининов замедлило старение, разрушение хлорофилла и снижение функции фотосинтеза — этого мы и ожидали. Но нас сильно удивило другое: на ранних этапах нахождения в темноте, еще до начала старения, цитокинины, наоборот, подавляли фотосинтез. Обычно это означает, что аппарат фотосинтеза находится в плохом состоянии», — рассказывает Мартина Шпундова.

Однако детальные исследования показали, что это не так. На самом деле цитокинины защищали аппарат фотосинтеза, образно говоря, переводя его в своеобразную спячку — примерно так же, как компьютер переходит в режим сна.

В таком состоянии фотосинтез действительно замедляется, но хлоропласты остаются полностью работоспособными. Они просто не посылают в ядро клетки сигнал, который запускает их разрушение. Благодаря этому лист остается в «режиме готовности», и как только на него снова попадает свет, он способен быстро и безопасно возобновить фотосинтез. Более того, цитокинины защищают лист и в этот «стартовый» период — например, они снижают выработку опасных активных форм кислорода, которая резко возрастает при выходе из долгой темноты на свет.

Новые возможности для селекции
В ходе исследования ученые проанализировали активность тысяч генов и уровень около 3 000 белков в листьях подопытных растений. Это позволило им выявить молекулярные механизмы, которые отвечают за переход аппарата фотосинтеза в спящий режим и выход из него.

«Очень важным открытием стало то, что действие цитокининов во многом зависит от фитохрома B — белка, который позволяет растениям воспринимать красный свет. В будущем будет крайне интересно детальнее изучить взаимодействие между цитокининами и фитохромом B, а также их связь с другими фоторецепторами», — отметил Ондржей Плигал.

По его словам, эти фундаментальные знания могут найти важное практическое применение в сельском хозяйстве — например, при селекции новых сортов культур с более эффективным фотосинтезом или повышенной устойчивостью к резким изменениям освещенности. «Это также поможет лучше понять, как растения реагируют на затенение и другие виды стресса», — добавил Плигал.

Результаты этого прорывного исследования уже опубликованы в авторитетном научном журнале New Phytologist.