Как растения чувствуют тепло: открыт механизм раннего цветения
Учёные обнаружили новый механизм, с помощью которого растения ощущают температуру. Это открытие может помочь противодействовать негативным изменениям в росте, цветении и производстве семян из-за изменения климата. Результаты опубликованы в PNAS.
Повышение глобальных температур из-за изменения климата имеет пагубные последствия для растений. Они начинают цвести раньше и ускоряют репродуктивный процесс, что приводит к уменьшению количества плодов и семян, а также снижению биомассы.
Исследователи сосредоточились на изучении циркадных часов растений, которые определяют их рост, метаболизм и время цветения. Ключевым термосенсором этих часов является белок EARLY FLOWERING 3 (ELF3), играющий жизненно важную роль в развитии растения. Он интегрирует различные внешние сигналы (свет, температура) с внутренними, регулируя экспрессию генов цветения.
Команда из CEA, ESRF и CNRS определила молекулярный механизм работы ELF3 in vitro и на модельном растении Arabidopsis thaliana. Оказалось, что при повышении температуры белок ELF3 подвергается процессу фазового разделения. Две жидкие фазы сосуществуют, подобно смеси масла и воды.
«Мы полагаем, что при фазовом разделении ELF3 связывает различные белковые партнёры, например, факторы транскрипции. Это приводит к ускоренному росту и раннему цветению при повышенной температуре», — объясняет Хлоя Зубиета, соавтор исследования.
Особый интерес представляет прион-подобный домен внутри ELF3, который, как считают учёные, ответственен за это разделение фаз. Поскольку ELF3 — гибкий белок без чёткой структуры, его нельзя изучать с помощью рентгеновской кристаллографии. Команда использовала малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS).
Результаты удивили: прион-подобный домен формирует высокоупорядоченный монодисперсный олигомер, критически важный для фазового разделения. Этот олигомер представляет собой «шар» из примерно 30 копий белка и действует как каркас, необходимый для взаимодействия с другими белками в клетке растения.
При повышении температуры эти сферы объединялись, образуя жидкую фазу, а со временем — упорядоченную ламеллярную структуру. Дополнительные эксперименты с использованием электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и рентгеновской порошковой дифракции подтвердили эти выводы.
«Если нам удастся настроить температуру, при которой происходит фазовое разделение, путём мутации различных аминокислотных остатков, мы сможем в конечном итоге задержать цветение растений в тёплых условиях. Это позволит им нарастить больше биомассы и произвести больше плодов и семян», — говорит Стефани Ютен, первый автор статьи.
Следующим шагом будет добавление модифицированной формы гена ELF3 в Arabidopsis thaliana и наблюдение за её ростом в тёплых условиях. Если модель подтвердится, этот подход можно будет применить к сельскохозяйственным культурам, плохо адаптирующимся к потеплению.