Согласно исследованию Дартмутского колледжа, биологические часы популярной продовольственной культуры контролируют около трех четвертей ее генов.
Генетические исследования показывают, как культура использует внутренние реакции на цикл день-ночь, известные как циркадные ритмы, для регулирования таких процессов, как размножение, фотосинтез и реакции на стрессовые условия.
Исследование, опубликованное в журнале eLife , может помочь исследователям нацелить гены для улучшения роста и устойчивости к стрессу, когда растение перемещается в новый регион или сталкивается с изменяющимися климатическими условиями.
«Поскольку растения выращивают в новых географических зонах, они должны выбирать признаки, которые позволят им выжить в различных условиях», – сказал С. Робертсон МакКланг, профессор биологии из Дартмута и старший научный сотрудник исследования. «Многие из этих черт заложены в генах циркадных часов ».
Как и у животных, у растений есть биологические часы, которые позволяют им адаптироваться к предсказуемым изменениям, таким как смены дня и ночи или смены времен года. В то время как животные могут перемещаться, чтобы адаптироваться к таким изменениям окружающей среды, растения остаются на месте. Чтобы выжить, растениям необходимо активировать и деактивировать гены, чтобы изменить их биологические функции .
Исследовательская группа использовала РНК-секвенирование, чтобы определить, как гены популярной культуры Brassica rapa контролируются внутренним механизмом растения. Виды B. rapa включают такие разновидности, как репа, масличные семена, китайская капуста и листовые овощи.
В ходе исследования растения находились в нормальных условиях с теплыми днями и прохладными ночами. Затем их удалили из этой среды и в течение двух дней брали пробы, чтобы определить, какие гены были активны в ответ на сигналы внутренних часов растения.
Исследование показало, что более 16000 генов, около трех четвертей всех генов растения, регулируются циркадными ритмами в отсутствие изменений света и температуры.
«Мы были удивлены, обнаружив, что такое большое количество генов регулируется биологическими часами. Это подчеркивает важность контроля суточных часов над многими функциями растения», – сказал МакКланг.
Многие культурные растения, такие как пшеница, картофель и Brassica, удвоили или утроили свой полный набор генов. Это заставило исследователей задаться вопросом, какое влияние оказывают дополнительные пары генов на биологические часы растения или на процессы выживания, такие как устойчивость к засухе.
Исследовательская группа обнаружила, что дополнительные копии генов часто активны в разное время дня из своих пар генов.
Кроме того, исследователи обнаружили, что часто только один член пары дублированных генов реагирует на засуху. В обоих этих случаях различия во времени активации генов или в чувствительности к засухе должны были произойти после того, как гены дуплицировались.
Полученные данные позволяют сделать вывод, что та же дупликация гена, которая отвечает за более чувствительные биологические часы, также создает большую устойчивость к засухе.
«В ходе эволюции наземных растений количество пар генов увеличивалось», – сказала Кэтлин Гринхэм, доцент кафедры биологии растений и микробов в Университете Миннесоты, которая руководила исследованием в качестве постдокторского исследователя в Дартмуте. «Один набор копий может поддерживать критические процессы роста, в то время как другие могут свободно развивать новые функции, которые исследователи могут использовать для получения устойчивых к стрессу культур».
Выявление различий внутри пар генов, которые заставляют их реагировать или не реагировать на условия засухи, может дать исследователям способ помочь растениям повысить устойчивость к изменениям, вызванным климатом.
«Когда дело доходит до борьбы с засухой, время суток имеет значение для экспрессии генов», – сказал Райан Сартор, научный сотрудник Государственного университета Северной Каролины, который руководил исследованием. «Это первый шаг, который поможет понять основные взаимосвязи. Более полное понимание этой сложной системы может привести к созданию более устойчивых к стрессу культур».
По словам исследовательской группы, на циркадные ритмы, которые регулируют большую часть биологии растений, вероятно, повлияет изменение климата, поскольку экологические сигналы становятся менее надежными. Это затрудняет адаптацию и выживание растений, но также служит ключом к разгадке для исследователей, ищущих способы повышения устойчивости растений.