Биологи из Института Солка обнаружили в клетках растений молекулярный механизм, действующий по принципу термостата и регулирующий рост корневой системы в зависимости от температуры окружающей среды. В отличие от животных, растения не могут перемещаться в поисках более благоприятных условий, поэтому их выживание зависит от скорости физиологической адаптации к жаре. Исследование, результаты которого представила международная группа ученых, описывает ранее неизвестный процесс восприятия тепловых сигналов на клеточном уровне.
Ключевую роль в этом процессе играет гормон ауксин, отвечающий за развитие побегов и формирование корней. Ранее считалось, что реакция на изменение температуры зависит исключительно от концентрации этого гормона. Однако новые данные показывают, что белки под названием факторы ответа на ауксин (ARF) сами выступают в роли температурных датчиков. При низких температурах эти белки группируются в неактивные скопления в цитоплазме клеток, создавая своего рода резерв.
С повышением температуры физико-химические свойства ARF меняются: белки становятся растворимыми и перемещаются в ядро клетки. Там они активируют генетические цепочки, стимулирующие удлинение корней. Подобное перераспределение белков – это эффективный способ адаптации, позволяющий растению реагировать на потепление практически мгновенно без затрат энергии на синтез новых молекул. Это дает возможность корням быстро проникать в глубокие и влажные слои почвы.
Открытие разрешает давний биологический парадокс. Известно, что высокая температура обычно коррелирует с ростом уровня ауксина, но избыточная концентрация гормона способна подавлять развитие корней. Обнаруженный механизм позволяет растению обходить это ограничение, регулируя не количество гормона, а активность самих белков. Это обеспечивает точную калибровку сигналов роста для оптимального развития в конкретных температурных условиях.
Результаты исследования имеют значение для обеспечения продовольственной безопасности в условиях климатических изменений. Прогнозы указывают на рост частоты тепловых волн, что угрожает урожайности сельскохозяйственных культур по всему миру. Понимание того, как растения воспринимают температуру, открывает возможности для выведения сортов, устойчивых к экстремальной жаре. Манипулируя термочувствительностью белков ARF, селекционеры смогут вывести культуры, способные поддерживать потребление воды и питательных веществ даже в засушливом климате.
Работа стала результатом сотрудничества специалистов Института Солка в США и Университета Буэнос-Айреса в Аргентине. Исследователи применили методы биохимического анализа и визуализации живых клеток для изучения поведения белков. Выявленный принцип фазового разделения белков в ответ на внешние стимулы может стать основой для новых стратегий в селекции и синтетической биологии.