Вчені розкрили механізм світлової регуляції росту рослин

Китайські вчені виявили складну взаємодію між фоторецепторами, епігенетичними модифікаторами та транскрипційними факторами, що разом контролюють реакцію рослин на світло, відкриваючи нові перспективи для розуміння адаптації рослин до змінних умов освітлення.

Світло як сигнал розвитку

Світло для рослин – це не лише джерело енергії для фотосинтезу. Це критично важливий екологічний сигнал, що запускає численні процеси розвитку, включаючи проростання насіння, формування проростків, розростання листя, подовження стебла, цвітіння та циркадні ритми.

Один із найважливіших етапів розвитку рослин – фотоморфогенез, перехідний процес, коли проросток виходить із ґрунту на світло. У цей момент відбувається пригнічення подовження гіпокотиля (стеблової частини проростка), розширення і позеленіння сім’ядолей, а також запуск процесів фотосинтезу.

Рослини розвинули складні механізми сприйняття та реагування на світлові сигнали. Важливу роль у цих процесах відіграють епігенетичні модифікації, зокрема ковалентні зміни гістонових білків.

Ключова роль деметилази H3K27me3

Дослідницька група під керівництвом професора Цао Сяофенга з Інституту генетики та біології розвитку Китайської академії наук зосередила увагу на вивченні триметилювання гістону H3 лізину 27 (H3K27me3). Ця епігенетична модифікація є важливою репресивною міткою, що забезпечує “мовчання” певних генів.

У своїх попередніх дослідженнях команда ідентифікувала та охарактеризувала фермент REF6/JMJ12 – деметилазу H3K27me3 в рослині арабідопсис. Цей фермент видаляє метильні групи, потенційно активуючи експресію генів.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі PNAS, вчені використали комплексний підхід, поєднуючи профілювання хроматину, транскриптоміку, біохімічні та генетичні методи для вивчення молекулярних механізмів, за допомогою яких REF6 бере участь у передачі сигналів червоного світла.

Синергія епігенетичних та світлових сигналів

Фенотипічний аналіз показав, що мутантні рослини з втратою функції REF6 демонструють помітно коротші гіпокотилі під дією світла. Водночас мутанти інших деметилаз H3K27me3 (JMJ11, JMJ13, JMJ30 і JMJ32) не показали значних змін, що вказує на особливу роль REF6 у фотоморфогенезі.

Дослідники виявили, що під дією червоного світла значно підвищується як накопичення білка REF6, так і активність деметилази H3K27. Червоне світло активує фоторецептор фітохром B (phyB-Pfr), який фізично взаємодіє з REF6, стабілізуючи цей білок і підвищуючи його здатність зв’язуватися з хроматином.

Ця взаємодія сприяє експресії генів, пов’язаних з елонгацією клітин, зберігаючи хроматин у відкритому стані. REF6 потім синергічно діє з модулем phyB-PIF4, тонко регулюючи ріст гіпокотиля при постійному освітленні та забезпечуючи належний розвиток рослин.

Перспективи для розуміння адаптації рослин

Це дослідження розширює наше розуміння багатовимірних регуляторних механізмів фотоморфогенезу. Воно демонструє, як світлові рецептори, епігенетичні фактори та транскрипційні фактори спільно регулюють ріст рослин у мінливому світловому середовищі.

Така складна регуляторна стратегія має вирішальне значення для адаптації рослин до різних умов освітлення. Розуміння цих механізмів може відкрити нові можливості для покращення сільськогосподарських культур та їх адаптації до змінних умов навколишнього середовища в контексті глобальних кліматичних змін.