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 черты, которые позволят им выжить в различных условиях», – сказал С. Робертсон МакКлунг, 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 застревают 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 хронометража растения.
B. виды рапы включают такие сорта, 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 извлекали из этой среды и брали образцы в течение двух дней, 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 капуста, 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 в зависимости от их 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 были продублированы.
Полученные данные приводят к выводу, что та же дупликация гена, которая отвечает за более чувствительные биологические часы, также создает большую устойчивость к засухе.
«В процессе 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 производства устойчивых к стрессу культур."
Выявление различий в парах 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, постдокторант из Университета штата Северная Каролина, который руководил исследованием. "Это первый шаг, который поможет понять основные отношения. Более полное понимание этой сложной системы может привести к созданию более стрессоустойчивых культур."
По мнению исследовательской группы, на циркадные ритмы, которые регулируют большую часть биологии растений, вероятно, повлияет изменение климата, поскольку экологические сигналы становятся менее надежными.
Это затрудняет адаптацию растений и их выживание, но также служит ключом к разгадке для исследователей, ищущих способы повышения устойчивости растений.