Как растения узнают о конце зимы

К концу холодов в растениях накапливается достаточно нужных белков, помогающих расцвести.

В наших широтах растения начинают цвести весной. Но как они узнают, что зима кончилась и началась весна? Вероятно, растения понимают, что стало теплее, но тут важно не просто почувствовать тепло – оно должно быть стабильным, то есть не оттепель в середине зимы, а настоящая весна.

С другой стороны, известно, что ускорить цветение можно, длительное время подержав растение на холоду – это называется яровизацией, или вернализацией.

Молекулярно-генетический аппарат, управляющий цветением, отчасти известен. Ген FLC подавляет цветение – но при низкой температуре FLC малоактивен, и он остаётся малоактивным, когда начинается тепло. Другой ген, VIN3, подавляет работу FLC и, следовательно, стимулирует цветение. Синтез белка VIN3 на холоду постепенно усиливается, так что именно с помощью VIN3 растение может оценить длительность холодного периода. Когда долгий холод заканчивается, накопленный VIN3 помогает расцвести. Однако в этой схеме чего-то не хватает.

Чего именно не хватает, описывают в Nature сотрудники Центра Джона Иннеса. С помощью мутантных растений Arabidopsis thaliana они выяснили, что активность VIN3 зависит от генов NTL8 и NTL14 – оба активируют ген VIN3. Сосредоточившись на гене NTL8, исследователи решили изучить, как его активность зависит от температуры. Как мы помним, генетическая информация с гена сначала копируется в молекулу РНК, а на РНК уже синтезируется белок. Оказалось, что уровень РНК в растительных клетках остаётся всё время примерно одним и тем же, но уровень белка на холоду возрастает. Все белки не только синтезируются, но и расщепляются со временем. Так что белка в клетке может становиться больше не потому, что его много синтезируется, и не потому, что в клетке много его РНК, а потому, что он медленно расщепляется.

Можно предположить, что активатора цветения NTL8 становится больше в холодных условиях потому, что в холодных условиях он медленнее расщепляется. Но оказалось, что белок NTL8 одинаково стабилен что в тепле, что в холоде. Дело было в другом – концентрация NTL8 зависела от роста растения.

На холоду растения не только не цветут, но и растут медленнее, чем в тепле. Медленнее растут – значит, их клетки медленнее делятся. В тепле клетки делятся быстрее, и быстрее делят между собой насинтезированный белок. Из-за активного деления клеток белка NTL8 в них становится всё меньше, ведь синтезируется его столько же, сколько и всегда. В холодных условиях клетки делятся медленнее, и потому белок может накопиться.

Авторы работы построили математическую модель, которая описывала уровень NTL8 в зависимости от темпов роста. По этой модели выходило, что NTL8 можно накопить и в тепле, просто ограничив рост растения, что вполне подтвердилось в экспериментах. Накапливаясь в клетках, NTL8 помогает накапливаться VIN3, другому активатору цветения. А VIN3 постепенно всё сильнее подавляет ген FLC, который цветение запрещает. В конце концов FLC перестаёт действовать и растение расцветает. Это случается, когда становится уже тепло, и клетки начинают быстро делиться. Белок NTL8 в них оказывается разбавленным, он перестаёт в должной мере стимулировать ген VIN3, а тот перестаёт в должной мере подавлять ген FLC – и FLC снова запрещает цветение.

То есть холод и тепло управляют цветением не сами, а через рост. За долгий холодный период, пока клетки делятся слабо, в растении накапливаются активаторы цветения, которые срабатывают с наступлением тепла. И потом цветение заканчивается потому, что клетки стали активно делиться и активаторы цветения из-за этого перестали действовать. Если говорить о сельском хозяйстве, то, искусственно тормозя или активируя рост, можно добиться того или иного желаемого эффекта – в зависимости от того, что вы хотите от растения.

Впрочем, как замечает портал Nature, цветение – не единственное, что зависит от роста и концентрации белков. Такой механизм, когда какие-то молекулярные регуляторы разбавляются при делении клеток, вообще активно используется в тканях растений (и не только растений); соответственно, используя его в своих целях, нужно помнить о многообразии физиологических процессов, в которых этот механизм участвует.