В эпоху, когда изменение климата угрожает продовольственной безопасности, ученые всего мира ищут надежные способы повышения урожайности. Экстремальные погодные условия и смена сезонов могут нарушить традиционные сельскохозяйственные циклы, что делает технологии, регулирующие сроки развития растений, бесценными для фермеров всего мира.
Рост и развитие растений зависят от многих факторов, таких как окружающая среда, фотопериод и генетика. Цветение — важное событие в жизненном цикле растения, и для многих видов перед цветением весной требуется период воздействия холода (или яровизация). После начала цветения растения перенаправляют питательные вещества из листьев на производство семян, что снижает питательную ценность листовых культур. Хотя ученые понимают многие аспекты этого процесса, механизмы, которые могут естественным образом приостановить или обратить вспять фазу подготовки к цветению (девернализацию), остаются практически неизученными.
Исследовательская группа под руководством доцента Макото Ширакавы из Нарского института науки и технологии занялась изучением молекулярных основ девернализации. Был выявлен новый класс малых молекул, названных девернализаторами (DVRs), способных вызывать этот процесс без необходимости тепловой обработки в модельном организме Arabidopsis thaliana. Результаты исследования были опубликованы в Communications Biology.
Ученые проанализировали более 16 000 химических соединений и обнаружили пять DVR, которые реактивировали экспрессию гена FLOWERING LOCUS C, ключевого супрессора цветения. Благодаря минимизации специфических динамических изменений в генах растений, DVR могут задерживать цветение даже после искусственной яровизации. Примечательно, что три из пяти DVR имеют две общие критические структурные особенности — гидантоиноподобную область и спироподобный углерод, — которые, как выяснилось, необходимы для эффекта девернализации.
Кроме того, команда идентифицировала шестое соединение DVR, названное DVR06, которое было структурно проще, но сохранило вышеупомянутые ключевые особенности. Результаты экспериментов показали, что растения, обработанные DVR06, демонстрировали задержку цветения без побочных эффектов. Геномный анализ подтвердил, что DVR06 влияет на более специфический набор генов по сравнению с теплоиндуцированной девернализацией, что подчеркивает его потенциал для регулирования цветения. «Хорошо известно, что применение тепловой обработки растений в полевых условиях является трудоемким и дорогостоящим. Поэтому я очень обрадовался, когда мы обнаружили, что DVR06 обладает более специфическим эффектом, чем тепловая обработка. Это был тот момент, когда все время, потраченное нами на отбор, наконец-то окупилось!» — делится Ширакава.
Открытие DVR06 и механизмов его действия может проложить путь к новым сельскохозяйственным технологиям, которые позволят фермерам эффективно регулировать время цветения. При задержке этого периода листовые культуры смогут дольше сохранять свои питательные качества, повышая урожайность и снижая потери. Исследовательская группа стремится повысить эффективность DVRs, как отмечает Ито: «Мы будем проводить дальнейшие исследования, чтобы изменить структуру DVRs и разработать соединения с большей активностью и специфичностью. Мы ожидаем, что результаты нашей работы приведут к созданию новых технологий для стабильного производства продуктов питания в условиях нестабильной глобальной окружающей среды».
[Фото: bearfotos / freepik.com]
