Как растения борются с джетлагом Understand article

Перевод Нади Фёдоровой (Nadia Fedorova). Новое исследование проливает свет на внутренние ‘часы’, которые помогают растениям реагировать на смену циклов дня и ночи.

Illustrations of ‘sleep movements’ of Medicago leaves
Иллюстрации ‘движений во
сне’ проявляемых листьями
люцерны из книги Чарльза
Дарвина ‘Способность
Растений к Движению’

Чарльз Дарвин (1898)/
Wikimedia Commons,
открытый доступ  
 

Испытывали ли вы когда-нибудь дезориентирующее чувство джетлага после долгого перелёта? Это ужасное ощущение – результат несоответствия между окружающей средой и нашими внутренними ‘часами’: солнечный свет говорит нам что сейчас середина дня, а наши внутренние ‘часы’ говорят нам что пора спать. Эти ‘часы’, также известные как циркадные часы или циркадный генератор, контролируют биологические ритмы нашего организма. Это результат эволюционной адаптации к жизни на вращающейся планете где уровни света и температуры меняются на протяжении 24 часов, что в свою очередь влияет на наш сон, наш метаболизм и другие аспекты нашей физиологии. Слово ‘циркадный’ происходит от латинского ‘circa’, означающего ‘около’, и ‘dies’, означающего ‘день’.

Циркадные ритмы были впервые обнаружены у растений, причём самый ранний отчёт был сделан в четвёртом веке до нашей эры, когда адмирал флота Александра Македонского описал дневные ритмы листьев тамаринда (Индийского финика). Чарльз Дарвин описал феномен ‘движения листьев во сне’ в своей книге ‘Способность Растений к Движению’ (The Power of Movement in Plants) изданной в 1880 году, после того как он наблюдал как листья люцерны (Medicago plant) складываются на ночь.

 

Проверка циркадных ритмов

Так как наши циркадные ритмы регулируются ‘внутренними часами’, мы чувствуем их влияние даже когда внешние условия (например, свет) остаются постоянными. Это делает циркадные ритмы более сложными чем суточные ритмы, которые представляют собой элементарную реакцию на внешние условия и которые прекращаются когда эти условия перестают изменяться. Большинство дневных ритмов являются циркадными ритмами, однако существует простой способ проверить если биологический процесс является настоящим циркадным ритмом или нет. Сначала учёные подвергают организм (растение или животное) 24-часовому циклу раздражителей (например, 12 часов света сменяются 12 часами темноты). Затем, организм помещают под влияние постоянных условий (например, постоянного света) и биологический процесс измеряется в течении нескольких дней. Если ритм (цикл сна-бодрствования или цикл температуры тела) остаётся таким как был несмотря на неизменяющиеся условия, значит этот процесс контролируется ‘внутренними часами’ и не является реакцией на изменяющиеся внешние условия (рисунок 1). Этот тест был проведён на многих организмах, так что мы знаем, что млекопитающие, насекомые, растения и даже некоторые бактерии обладают настоящими циркадными часами.

Figure 1: Experimental test to identify a diurnal or circadian rhythm
Рисунок 1: Экспериментальная проверка на определение суточного или циркадного ритма
Кэтрин Хаббэрд [Katharine Hubbard]
Diurnal rhythm: Суточный ритм;
24-hour rhythm ends in constant conditions, indicating a direct response to light/dark: 24-часовой ритм прекращается в постоянных условиях, обозначая прямую реакцию на свет/темноту;
Circadian rhythm: Циркадный ритм;
24-hour rhythm persists in constant conditions, indicating that it is controlled by an internal clock: 24-часовой ритм не меняется в постоянных условиях, обозначая что он подвержен действию внутренних часов;
Biological marker: Биологический маркер;
light: свет;
dark: темнота;
Constant light: Постоянный свет;
Time (hours): Время (в часах)

Растения замечают время

Мы уже знаем, что циркадные часы контролируют почти все аспекты биологии растений, включая рост, цветение, фотосинтез, и открытие и закрытие листовых устьиц. В большинстве растений, устьица открываются прямо перед зарёй, чтобы растения могли начать процесс фотосинтеза как только станет светло. Растения также используют внутренние часы для ‘измерения’ продолжительности дня, что определяет время цветения. К примеру, некоторые низкорослые дневные растения (рис, хризантемы) цветут только когда продолжительность дня короче определённой критической величины. Хризантемы, например, начинают цвести когда день становиться короче 15 часов, и соответственно, обычно цветут весной или осенью. Высокорослые дневные растения (салат, шпинат) проявляют обратную реакцию, и соответственно цветут когда день превышает критическую величину в летнее время. В противоположность этим растениям, так-называемые нейтральные растения нечувствительны к продолжительности дня. Растения с нарушенными циркадными часами цветут раньше или позже чем им положено так как они неспособны определить продолжительность дня. Это даже может повлиять на защитный механизм растений, предотвращая синтез защитных веществ в правильное время дня и тем самым подвергая их повышенной опасности от атаки насекомыми.

Можно сделать вывод что правильная работа циркадных часов важна для производительности в сельском хозяйстве. Эксперименты поставленные на модельном растении Резуховидке (Arabidopsis) доказывают, что в контролируемых лабораторных условиях растения с нарушенными циркадными часами растут хуже чем растения с часами функционирующими нормально. Это объясняется тем что растения с нефункционирующими часами производят меньше хлорофилла и имеют более низкие показатели фотосинтеза (Dodd et al., 2005).

Так же как часы контролируют время цветения, они определяют время урожая для плодоносных видов. Например, ячмень растущий в южной Европе чувствителен к продолжительности дня, и поэтому он цветёт ранней весной и даёт урожай в начале лета до прихода жарких дней. В северной Европе, наоборот, климат гораздо холоднее; ячмень, растущий там, обладает естественной мутацией которая влияет на то как часы регулируют гены отвечающие за время цветения. Это, в свою очередь, делает ячмень менее чувствительным к продолжительности дня. Эта мутация позволяет растению пользоваться длинными летними днями и давать урожай осенью. Биотехнологические компании проявляют усиленный интерес к циркадным часам растений, с целью использовать их для улучшения продуктивности урожая.

Research into plant circadian clocks has important implications for agricultural productivity.
Исследование циркадных часов растений важно для повышения производительности в сельском хозяйстве.
stanvpetersen/pixabay.com

Генетика циркадных ритмов

Как же работает циркадная регуляция? Ответ заключён в генетике растений. Часы закодированы несколькими генами которые контролируют друг друга, представляя собой само-регулируемую систему известную как ингибирующая петля обратной связи. Рисунок 2 показывает как работает эта генетическая регуляция на примере циркадных часов с двумя генами. Сначала включается ген А (с помощью свето-зависимого процесса) и производит белок А. Белок А затем активирует ген Б, что приводит к получению белка Б. Белок Б подавляет экспрессию гена А, что ведёт к понижению уровня белка Б и к возобновлению экспрессии гена А. Таким образом получается цикл в котором белок А производиться по очереди с белком Б. Если каждая из этих регуляционных стадий занимает 12 часов, результатом является 24-часовой ритм, который способен поддерживать себя в неизменяющихся условиях (например, 24 часа постоянного света).

На практике, механизм лежащий в основе циркадных ритмов гораздо сложнее: циркадные часы растений зависят от системы включающей более чем 20 генов и белков (McClung, 2019). Эта система настолько сложна что биологи с большим трудом пытаются разобраться во всех её взаимосвязях и предсказать что произойдёт если эти взаимосвязи нарушены. Чтобы добиться успеха, биологи прибегли к помощи математиков для создания вычислительных моделей циркадных часов, которые, в настоящее время, используются для разработки экспериментов. К примеру, были построены модели которые интегрируют информацию об уровне света, наличии CO2, и температуре с моделями экспрессии циркадных генов. Эти модели затем используются для предсказания скорости роста растений при разной продолжительности дня.

Figure 2: Negative feedback loop for a simple circadian clock
Рисунок 2: Ингибирующая петля обратной связи на простом примере циркадных часов
Кэтрин Хаббэрд [Katharine Hubbard]
Lights activates expression of gene A: Свет активизирует экспрессию гена А;
Protein B represses expression of gene A: Белок Б подавляет экспрессию гена А;
Protein A activates expression of gene B: Белок А активизирует экспрессию гена Б;
Gene: Ген;
Protein: Белок;
Protein concentration: Концентрация белка;
Time (hours): Время (в часах)

Как избежать джетлаг

Одно из главных отличий между циркадными часами растений и животных заключается в уровне центрального контроля. Наши циркадные часы регулируются частью мозга называемого супрахиазматическим или надперекрёстным ядром (СХЯ), которая находиться в гипоталамусе. Вечером СХЯ даёт сигнал эпифизу в мозге для производства мелатонина, который затем двигается по всему организму подготавливая другие органы, такие как желудок и печень, ко сну. Так как наши циркадные часы в основном зависят от гормонов циркулирующих в крови, любая циркадная реакция происходит достаточно медленно. Когда человек испытывает джетлаг, разные части организма оказываются настроенными на разные часовые пояса. Перенастройка всего организма на одно время после полёта может занять несколько дней.

Циркадные часы растений действуют абсолютно по другому, на уровне отдельных клеток. Каждая растительная клетка имеет свои световые рецепторы и циркадные часы, поэтому, в отличие от людей, индивидуальные клетки способны реагировать на свет. Если вы накроете часть растения фольгой, вы можете научить одну часть листа думать что сейчас день, а другую часть думать что сейчас ночь. Эти отличия в построении часов означают что растения способны более легко регулировать свои циркадные ритмы. К примеру, если растение переправить в другую часть мира, оно гораздо легче справиться с изменением времени чем справились бы мы, и, в целом, джетлаг не составит для него большой проблемы. В отличие от людей, растения способны подавить эффект джетлага в считанные часы, а не дни.

Способны ли растения приспособиться к новым часовым поясам, само по себе является интересным биологическим вопросом, но понимание фундаментальной биологии циркадных ритмов растений многому научило нас о том как регулируются генетические системы – что в конечном счёте может помочь повысить будущии урожаи.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Для того чтобы посмотреть сьёмку циркадных ритмов растений разных видов в режиме таймлапс, посетите Plants in Motion website.
  • Прочитайте короткую брошюру знакомящую с циркадными ритмами у людей и их влияние на наше самочувствие. Посмотрите:
    • Foster R, Kreitzman L (2017) Circadian Rhythms: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780198717683
  • Американское Общество Биологии Растений [The American Society for Plant Biology] публикует материалы о циркадных ритмах для учителей. Несмотря на то что эти материалы предназначены для студентов высших учебных заведений, они могут быть использованы для школьников или послужить основой обучающих проектов. Посмотрите:
  • Прочитайте специальный выпуск журнала Biology который приурочен к Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине. Она была присуждена трём биологам за открытие молекулярных механизмов которые контролируют циркадные ритмы.

Author(s)

Кэтрин Хаббард является преподавателем биологии в Университете Халла [University of Hull], Великобритания. Её научная деятельность связана с науками о растениях, с концентрацией на циркадных ритмах, сигнальных путях и реакции растений на окружающую среду. В настоящее время она преподаёт биологию клеток и биологию растений, и посвящает много времени вовлечению студентов в исследовательскую работу по биологии растений.


Review

Вы когда-нибудь интересовались почему некоторые виды растений цветут зимой а другие цветут летом? Или почему мы спим ночью и бодрствуем днём? Ответы на эти вопросы связаны с циркадным ритмом, процессом который происходит как у животных так и у растений, а также вызывает джетлаг. Эта статья исследует биологию циркадного ритма в ясной и чёткой манере, а также рассматривает роль генов и гормонов в регуляции наших дневных ритмов. В дополнение к изучению вопросов на понимание (смотри ниже), статья может быть использована для более широко охватывающего обсуждения эффектов окружающей среды на развитие растений, а также воздействия изменений климата и нарушений в окружающей среде на циркадные ритмы.  

Возможны следующие вопросы:

  • В чём заключается разница между циркадными и суточными ритмами?
  • Почему разные растения цветут в разные времена года?
  • Как генетические мутации влияют на производительность в сельском хозяйстве?
  • Почему растения могут перестроить свой циркадный ритм быстрее чем люди?

Моника Менесини [Monica Menesini], учительница наук, Италия




License

CC-BY