Каким образом растения определяют срок, когда им предстоит зацвести? Ученые долгое время бились над решением этой загадки. Выявление механизмов цветения важно прежде всего для изучения процессов размножения растений. При этом отслеживаются молекулярные события и циркадные ритмы растений, соотносимые с длиной светового дня.
Работая в этом направлении, доцент Такато Имаидзуми (Takato Imaizumi) из Вашингтонского университета (США) на примере хорошо известного генетикам «модельного» растения Arabidopsis thaliana изучал гены, задействованные в процессе цветения. Практической целью работы было лучше представлять поведение этих генов в зерновых культурах — рисе, пшенице, ячмене.
Публикация, посвященная данным исследованиям, появилась в журнале Science.
«Регуляция срока цветения позволит влиять на формирование урожая, ускоряя или задерживая его. Знание этого механизма даст нам возможность управлять им», — обосновывает свои исследования Имаидзуми. Повышение урожаев сельскохозяйственных культур важно как для продовольственных целей, так и, в отдельных случаях, для производства биотоплива.
В определенное время года цветущие растения производят белок, кодируемый геном FLOWERING LOCUS T (FT), индуцирующий цветение. Белок синтезируется в листьях и затем перемещается в верхушечные части (апексы) побегов, где клетки еще не дифференцированы и неизвестно, какие почки, листовые или цветочные, из них в дальнейшем будут образовываться. В апексах побегов этот белок дает начало молекулярным изменениям на клеточном уровне, там он как бы переключает апикальные участки с вегетативного размножения на цветение.
Живые организмы тесно связаны со средой обитания и чутко реагируют на любые ее изменения. В частности, изменения в продолжительности светового дня могут сигнализировать о смене сезонов. Давно известно, что растения используют внутренний механизм хронометрирования, называемый циркадным ритмом, который служит для распознавания изменений в длине дня. Циркадные ритмы синхронизируют биологические процессы и у животных — от насекомых до людей.
В растении Arabidopsis решающее значение для индукции цветения имеет специфическая экспрессия белка CONSTANS (CO) в течение дневного времени суток, но фоторецепторный механизм, благодаря которому поддерживается стабильность этого белка, до сих пор оставался неизвестным. В своей работе Имаидзуми с соавторами продемонстрировал, что с этим белком взаимодействует другой, FLAVIN-BINDING KELCH REPEAT F-BOX1 (FKF1), стабилизирующий белок СО в условиях долгого светового дня.
FKF1 играет роль фоторецептора и взаимодействует с СО, а синяя часть спектра солнечного света усиливает это взаимодействие. Кроме того, FKF1 одновременно устраняет CYCLING DOF FACTOR1 (CDF1), который подавляет транскрипцию СО и FT. Вместе с регуляцией транскрипции CO белок FKF1 через несколько упреждающих механизмов регулирует и индукцию мРНК FT, что позволяет точно контролировать сроки цветения.
Авторы надеются, что те же регуляторные механизмы будут сохраняться и в других растениях, таких как рис, где длина дня является основным фактором, лимитирующим получение хороших урожаев. А пока рис является светолюбивой сельскохозяйственной культурой.
Татьяна Борисова
Y. H. Song, R. W. Smith, B. J. To, A. J. Millar, T. Imaizumi. FKF1 Conveys Timing Information for CONSTANS Stabilization in Photoperiodic Flowering. Science, 2012; 336 (6084): 1045 DOI: 10.1126/science.1219644