Сахар действует на растения как датчик температуры, позволяя им расти быстрее при повышении температуры окружающей среды. Источник изображения:©iStock, RomoloTavani

В фантастическом мире, созданном Дж. Р. Р. Толкином, существуют гигантские человекоподобные существа, называемые энтами. Хотя они выглядят как обычные деревья, они могут ходить и передвигаться по своему желанию. Энты могут удаляться от опасности и приближаться к благоприятным условиям — если бы только растения в реальном мире могли делать то же самое. Привязанные корнями к одному и тому же месту на протяжении всей жизни, растения нуждаются в приспособлениях, которые помогают им реагировать на изменения таких параметров окружающей среды, как влажность, освещённость и температура. Растения ‘чувствуют’ эти параметры, определяя время суток, смену сезонов и наличие потенциальных факторов стресса. Фактически, умеренное повышение температуры окружающей среды может резко изменить рост растений, обмен веществ и иммунитет.¹ Действительно, ощущение изменений температуры важно для выживания растений. Но как они это делают?

За последнее десятилетие учёные выявили несколько температурных датчиков, которые регулируют рост растений, причём некоторые из них также реагируют на свет. Многие эксперименты, направленные на изучение функций этих датчиков, проводились в темноте, поэтому восприятие дневной температуры оставалось практически неизученным. Теперь, в ходе недавнего исследования, опубликованного в Nature Communications, учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде под руководством биолога Мэн Чена, специализирующегося на растениях, обнаружили совершенно новую роль сахара в восприятии дневной температуры.² Они показали, что при высоких температурах сахар действует как термостат, отключающий тормоза роста растений, тем самым способствуя удлинению стебля в ответ на повышение температуры. Эти открытия могут помочь в выведении культур, устойчивых к изменению климата в условиях глобального потепления.

«Восприятие температуры — один из последних открытых вопросов в биологии, — сказал Филип Вигге, биолог-растениевод из Потсдамского университета, не принимавший участия в исследовании. — Растения оказались очень удобной системой для изучения механизмов, поскольку они подвергаются воздействию широкого диапазона температур».

Одним из ключевых тепловых датчиков в растениях является светочувствительный белок фитохром B (phyB).³ Активируемый светом, phyB подавляет экспрессию фитохром-взаимодействующего фактора 4 (PIF4) — белка, который способствует росту и развитию растений. Высокие температуры инактивируют phyB, что приводит к накоплению PIF4 и удлинению стеблей растений. Однако это явление изучалось только в темноте.

Чен и его команда хотели выяснить, как phyB влияет на рост растений в дневное время, когда яркий свет постоянно активирует этот белок. Они выращивали семена Arabidopsis thaliana при низких и высоких температурах в условиях разной интенсивности освещения и измеряли, насколько удлинялись стебли проростков. При высоких температурах phyB инактивировался, что приводило к росту стеблей только при слабом освещении. При высокой интенсивности освещения, когда phyB переставал функционировать как тепловой датчик, стебли всё равно росли значительно сильнее, чем при слабом освещении. Наблюдая за этим, Чен предположил, что должны существовать и другие датчики, которые сигнализируют о тепле и способствуют росту растений.

Кандидатов на роль неизвестных температурных датчиков было предостаточно. Чтобы отсеять лишних, команда вырастила мутантный A. thaliana с постоянно активными белками phyB в темноте и на свету, в прохладных и тёплых условиях. Это позволило команде определить функциональные границы нового датчика. К их удивлению, мутанты, выращенные в темноте, не реагировали на температуру, в отличие от тех, что росли на свету. Это указывало на связь с процессом фотосинтеза.

Чен и его группа выращивали мутировавшие саженцы в темноте с добавлением сахарозы — мобильного сахара, продукта фотосинтеза, — что позволило восстановить нормальный рост стеблей при высокой температуре. На самом деле, выращивание растений с дефицитом хлоропластов — клеточных органелл, отвечающих за выработку сахара в процессе фотосинтеза, — с добавлением сахарозы дало те же результаты. Это означало, что при высокой температуре сахар вырабатывался из какого-то другого источника.

Чен предположил, что в более тёплых условиях запасы энергии растения — крахмал — могут разрушаться, высвобождая сахарозу. Когда исследователи попытались вырастить A. thaliana, которая не способна расщеплять крахмал, они не заметили никакого роста в ответ на повышение температуры. Добавление сахарозы в среду, в которой росли эти растения, восстановило нормальное удлинение стебля.

Но как именно сахароза стимулирует рост растений? Учёный отметил, что у мутантов с нефункциональным геном phyB уровень PIF4 был высоким, а стебли значительно удлинялись независимо от температуры или наличия сахарозы. Это указывает на то, что у здоровых растений сахароза ингибирует ген phyB при высоких температурах и ярком освещении.

«Это исследование объединяет несколько направлений, описанных в научной литературе, но выходит за их рамки и помогает нам получить более полное представление о том, как взаимосвязаны температура и энергетический статус», — сказал Вигге.

Но Чен и его команда всё ещё были озадачены одним моментом. Даже если они обеспечивали растения высоким уровнем сахарозы, что приводило к накоплению PIF4, для роста им всё равно требовалась высокая температура. Был ли ещё один температурный датчик, который подавлял активность PIF4 в прохладных условиях? Только один кандидат подходил под это описание: ранний фактор цветения 3 (ELF3). Этот белок является частью более крупного репрессора транскрипции, который снижает PIF4 транскрипцию и подавляет активность белка.⁴ Когда команда вырастила A. thaliana мутантов, у которых отсутствовал функциональный ELF3, оказалось, что добавления сахарозы в питательную среду было достаточно, чтобы стимулировать рост стебля даже при низких температурах. Таким образом, высокие температуры не только мобилизовали сахарозу, но и подавляли ингибирующую активность ELF3, позволяя беспрепятственно вырабатывать и использовать PIF4.

Вигге считает, что это похоже на двухэтапную программу проверки, которая позволяет растениям определять температуру на нескольких этапах. Чен считает, что это делает процесс более точным. «Если у растений есть только один механизм, то каждый раз, когда они вырабатывают сахарозу, это приводит к росту стебля. Но они могут этого и не хотеть, — сказал он. — Это также позволяет каждому механизму работать независимо от других, не провоцируя рост».

Теперь Чен хочет выяснить, какие молекулярные процессы запускают расщепление крахмала при высоких температурах. Кроме того, он считает, что взаимодействие между хлоропластом и ядром делает восприятие температуры растениями отличной моделью для изучения того, как органеллы взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить скоординированную клеточную реакцию.

Ссылки:

1. Делкер К. и др. Последние достижения в области изучения сигналов термоморфогенеза. Curr Opin Plant Biol. 2022;68:102231.
2. Фан Д. и др. Мультисенсорная система передачи сигналов при высоких температурах для запуска дневного термоморфогенеза у арабидопсиса. Nat Commun. 2025;16(1):5197.
3. Легри М. и др. Фитохром B интегрирует световые и температурные сигналы в арабидопсисе. Science. 2016;354(6314):897-900.
4. Юнг Дж. Х. и др. Прионоподобный домен в ELF3 функционирует как термосенсор в арабидопсисе. Nature. 2020;585(7824):256-260.