Как растения формируют свои циркадные ритмы

Многие живые организмы отслеживают 24-часовой цикл дня и ночи с участием набора белков и других молекул, которые вместе действуют как внутренние часы. Эти часы, также известные как циркадные ритмы, помогают этим организмам предсказывать регулярные изменения во внешней среде, такие, как изменения света и температуры, и корректировать реакции организма в зависимости от времени суток.

Растения используют циркадные ритмы, чтобы предсказать, например, когда наступит рассвет и приготовиться использовать солнечный свет для стимуляции роста. У модельного растения Arabidopsis thaliana есть светочувствительный белок, называемый ZEITLUPE (ZTL для краткости), который помогает синхронизировать циркадные часы с циклом ночи и дня. Предыдущие исследования показали, что свет активирует этот белок, вызывая изменение конформации его светочувствительного домена, который возвращается в исходное состояние примерно через полтора часа. Однако было непонятно, насколько важен этот период реверсии домена ZTL для формирования циркадного ритма.

Чтобы ответить на этот вопрос, команда ученых из США, Японии и Кореи определила химические основы конформационных изменений ZTL. Оказалось, что свет стимулирует образование химической связи, период сохранности которой играет важную роль в поддержании растениям 24-часовых циркадных ритмов. Генно-инженерная модификация ZTL, удлиняющая период сохранности этой связи, приводила к удлинению и циркадных ритмов растения. По сути, время между формированием и разрывом светоиндуцированных связей в ZTL действует как эталон и оно должно быть точно настроено для того, чтобы ритмы шли в ногу с окружающей средой.

Эти результаты улучшают наше понимание того, как свет регулирует внутренние биологические ритмы. Это улучшенное понимание может в будущем позволить исследователям манипулировать тем, как растения реагируют на окружающую среду. Это, в свою очередь, может направленно менять рост и развитие растений. В перспективе подобная методология может привести к новым способам повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Подробности см. eLife, 2017; 6 DOI: 10.7554/eLife.21646