Модель на основе генов предсказывает, когда почки японской вишни выходят из состояния покоя
Япония весной знаменита цветением сакуры, которое начинается в южном регионе Кюсю и движется на север до Хоккайдо. Самый распространённый сорт вишни, Сомэй Ёсино, — это иконический символ весны. Клонированные деревья цветут одновременно в каждом месте, создавая мимолётный взрыв бело-розовых цветов.
Прогнозы цветения Сомэй Ёсино тщательно изучаются за месяцы до события, так как туристы планируют поездки, а местные жители организуют фестивали. Однако из-за изменения климата сроки цветения этих деревьев сдвигаются и их становится сложнее предсказать.
Исследователи из Университета Кюсю и Института лесного хозяйства и лесопродуктов разработали модель, которая использует активность генов для предсказания, когда почки вишни Сомэй Ёсино выходят из состояния покоя.
Их результаты, опубликованные 19 сентября в журнале Plants, People, Planet, могут не только помочь повысить точность прогнозов цветения, но и подчеркнуть потенциальную угрозу, которую изменение климата представляет для цветения в южном регионе Японии.
Прежде чем вишня зацветёт, почки должны пройти две фазы покоя: эндодорманцию и экодорманцию. Для прерывания эндодорманции необходим период достаточно низких температур зимой, а для выхода из экодорманции требуется тепло весной.
«Эта потребность как в охлаждении, так и в нагреве означает, что сроки цветения могут быть очень непредсказуемыми, — объясняет первый автор, Ацуко Мияваки-Кувакадо, научный сотрудник JSPS с факультета наук Университета Кюсю. — В зависимости от температуры осени, зимы и весны цветение может быть ранним, поздним или вообще не состояться».
Когда экодорманция прерывается, почки быстро начинают расти и раскрываться. Но определить, когда прервалась предыдущая стадия эндодорманции, сложно, так как почки не показывают заметных внешних изменений. Мияваки-Кувакадо и старший автор, профессор Акико Сатаке, предположили, что изучение внутренних процессов в почке может выявить сроки этого ключевого момента.
Начиная с октября исследователи ежемесячно брали образцы листьев и почек у деревьев Ёсино в трёх местах по всей Японии: Фукуока на юге, Цукуба в центре и Хоккайдо на севере, фиксируя, какие гены были наиболее активны в каждый момент времени.
Исследователи обнаружили, что почки вишни Ёсино в целом проходят через пять основных паттернов активности генов: раннее лето, лето, осень, зима и весна. Каждый паттерн тесно коррелировал с температурой.
Затем команда сосредоточилась на активности (уровнях экспрессии) подмножества генов, называемых DAM, которые связаны с покоем почек. Из шести генов DAM исследователи выяснили, что активность гена DAM4 играет ключевую роль в поддержании эндодорманции.
«Мы увидели, что в начале зимы DAM4 был высоко экспрессирован, но с каждым днём при температуре ниже 10.1°C активность DAM4 снижалась. Как только она опускалась ниже определённого порога, почки выходили из состояния покоя и цвели при экспериментальном нагреве», — говорит Сатаке.
Используя модель, основанную на активности DAM4, исследователи пришли к выводу, что вишне Ёсино требуется около 61 дня с температурой ниже 10.1°C, чтобы эндодорманция прервалась. На основе исторических данных о температуре от Японского метеорологического агентства команда оценила, что с 1990 по 2020 год прерывание эндодорманции задерживалось на 2.3 дня за десятилетие.
В будущем синоптики могли бы использовать оценённые сроки пробуждения для улучшения прогнозов цветения почек Ёсино. Исследователи также планируют усовершенствовать модель, чтобы предсказывать, как изменение климата может повлиять на цветение.
«Без достаточного количества холодных дней зимой эндодорманция не может прерваться, и почки Ёсино не могут зацвести, — говорит Мияваки-Кувакадо. — Поэтому важно прогнозировать влияние глобального потепления, особенно в южном регионе Японии, чтобы мы могли попытаться разработать стратегии по смягчению его последствий».