Чтобы приспособиться к смене дня и ночи, вызванной вращением Земли, многие организмы обладают циркадными часами (биологическими часами), которые регулируются их генами. Тем не менее, взаимодействие генов, связанных с циркадными часами растения, до сих пор полностью не изучено.
В новом исследовании, опубликованном в журнале The Plant Cell, группа биологов под руководством Норихито Накамичи из Института трансформирующих биомолекул (WPI-ITbM) в Университете Нагоя обнаружила, что гены часов, вырабатываемые в вечернее время, регулируются белками, вырабатываемыми утром.
Команда также обнаружила, что эти гены вечерних часов несут ответственность за то, что растения выполняют биологические процессы, чтобы реагировать на окружающую среду в вечернее время.
Чтобы подготовиться к холоду в вечернее время, растения подготавливают реакцию на стресс от засухи, передают сигналы от гормонов растений, регулируют открытие и закрытие устьиц и производят воск, чтобы предотвратить потерю воды.
Многие из сельскохозяйственных культур, которые мы видим в настоящее время, являются отобранными видами с оптимизированными свойствами, которые регулируются их циркадными часами. Например, в Японии выращивают раннецветущие сорта пшеницы, чтобы ее можно было собрать до наступления сезона дождей. Раннецветущие сорта были созданы в результате модуляции генов, связанных с циркадными часами.
Открытие Накамичи и его коллег набора ключевых часовых генов засухоустойчивости растений может сделать возможным создание оптимизированных видов растений для роста в определенных условиях путем модификации циркадных часов.
Циркадные часы у многих организмов состоят из примерно 24-часового цикла.
У растений они используют свои циркадные часы, чтобы соответствующие биологические процессы происходили в нужное время суток. Например, внезапный дневной свет будет генерировать активные формы кислорода, которые токсичны для растений, поэтому растения начинают синтезировать молекулы, которые удаляют активные формы кислорода до восхода солнца.
Днем растения готовятся к холоду, который наступит после заката. Таким образом, растения используют свои биологические часы, чтобы заранее реагировать на изменения в окружающей их среде, вызванные изменениями во времени.
Считается, что циркадные часы состоят из взаимной регуляции между несколькими генами, но эта сложная сеть генов и молекул до конца не выяснена. Норихито Накамичи, доцент ITbM и руководитель этого исследования, который с 2004 года занимается измерением циркадных часов растений, решил изучить, как различные биологические события регулируются часами. «Причина, по которой я заинтересован в изучении биологических часов, заключается в том, что мне действительно нравится логика того, как различные биологические процессы вызываются сложной системой часов растения», — говорит Накамичи.
«С 2011 года мы пытаемся найти ключевой фактор, регулирующий экспрессию гена, транскрибируемого во второй половине дня», — говорит Накамичи.
Группа использовала PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 5 (PRR5), который является часовым геном модельного растения Arabidopsis thaliana.
«Сначала мы предположили, что CCA1, который является часовым белком, который генерируется во время восхода солнца, связывается со специфической последовательностью ДНК, которая участвует в экспрессии целевого гена PRR5», — описывает Накамичи. «Мы собрали белок CCA1, связанный с ДНК, с помощью метода, называемого иммунопреципитацией хроматина (ChIP), и проанализировали последовательность ДНК с помощью быстрого секвенирования ДНК.«Хотя быстрое секвенирование ДНК — хорошо известный метод, всесторонний анализ последовательностей ДНК может быть довольно сложным процессом.
«На самом деле нам приходилось много раз ходить взад и вперед, пока мы не смогли определить, что ген PRR5 появляется в регуляторной области с высокой частотой», — продолжает Накамичи. «Я был чрезвычайно взволнован, когда увидел данные, свидетельствующие о том, что белок CCA1 непосредственно действует на регуляторную область гена PRR5 и оказывает на него большое влияние."
Кроме того, группа, обнаруженная в хромосоме растительной клетки, целевой области ДНК часового белка CCA1. «Мы обнаружили много генов, которые экспрессируются вечером рядом с участком ДНК, с которым связывается CCA1», — объясняет Накамичи.
Некоторые из этих генов отвечают за реакцию растений на стресс от засухи, передачу сигналов от растительного гормона, абсцизовой кислоты, регуляцию открытия и закрытия устьиц и выработку воска. "Результаты наших исследований показывают, что белок CCA1 вызывает эти биологические процессы, которые происходят в определенное время в течение вечера."
"У растений есть сложная система часов, в которой соответствующие биологические процессы происходят в правильное время суток. Если белок CCA1 не работает утром, растение начнет готовиться к холоду и предотвратит потерю воды в течение дня », — говорит Накамичи. «Имея возможность включать и выключать функцию белков часов в правильное время, это может способствовать росту растений, которые могут адаптироваться к различным климатическим условиям», — продолжает он.
"Гены, связанные с циркадными часами, распространены у многих растений. Многие из выбранных на данный момент культур на самом деле имеют внезапные изменения, естественные или искусственные, в генах, контролирующих их циркадные часы, — говорит Накамичи. «Мы считаем, что наша работа способствовала дальнейшему пониманию молекулярного механизма циркадных часов Arabidopsis thaliana. и мы надеемся, что это поможет правильно настроить циркадные часы у многих других видов растений."