W dwóch publikacjach biolodzy z Utrechtu i koledzy z całego świata opisują procesy wykorzystywane przez rośliny do przystosowania się do ciepła. Odkrycia dostarczają informacji na temat optymalnego funkcjonowania roślin w nieoptymalnych wysokich temperaturach. Może również stanowić odskocznię w kierunku kontrolowania wzrostu roślin i uczynienia ich bardziej odpornymi na globalne ocieplenie. Naukowcy publikują swoje wyniki w The Plant Journal i Nature Communications.
Niedźwiedzie polarne na pustyni
Jednak wiele gatunków roślin opracowało sposoby radzenia sobie z wyższymi temperaturami. „W przeciwieństwie do zwierząt, wiele roślin może dostosować swój kształt ciała w odpowiedzi na ciepło i inne czynniki środowiskowe”, mówi badacz Martijn van Zanten, który jest związany z Uniwersytetem w Utrechcie i przyczynił się do powstania obu publikacji. „Zwierzęta to zupełnie inna historia. Mówiąc najprościej, jeśli umieścisz niedźwiedzia polarnego na pustyni, nadal będzie on wyglądał jak niedźwiedź polarny z grubym futrem. Ale jeśli roślina rośnie w cieplejszych warunkach, odpowiednio dostosuje swój kształt ciała. W ten sposób roślina stara się optymalnie funkcjonować w tych mniej sprzyjających warunkach”.
Od kompaktowej do otwartej formy roślinnej
Wiele gatunków roślin potrafi dostosować kształt łodyg i liści, aby były bardziej odporne na wysokie temperatury. Dotyczy to również rzeżuchy pospolitej (Arabidopsis thaliana), uważanej przez wielu biologów roślinnych za ich ulubiony model roślinny. W niskich temperaturach rośliny te są zwarte i mają liście blisko ziemi. Kiedy temperatura wzrasta, przyjmują bardziej otwartą postawę. Na przykład liście stają się bardziej wyprostowane. To znacznie zmniejsza bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Ponadto łodygi liści będą się rozciągać, dzięki czemu więcej wiatru będzie przechodzić przez liście i rozpraszać ciepło.
Pożądane i niepożądane rozciąganie
Jednak w uprawach i kwiatach (ciętych) ten rodzaj rozciągania jest często niepożądany. Hodowcy chcą kontrolować te zmiany, ponieważ rozciąganie może pogorszyć jakość produktu. „Ale jednocześnie konieczna jest adaptacja, aby rośliny uprawne były bardziej odporne na wyższe temperatury wynikające ze zmian klimatycznych. Jest to potrzebne do utrzymania produkcji w dłuższej perspektywie”, mówi Van Zanten.
Zwiększanie odporności roślin na klimat
„Wiele uprawnych roślin uprawnych straciło zdolność dobrej reakcji na wyższe temperatury”, mówi Van Zanten. „W różnych uprawach zniknął podczas procesu udomowienia i hodowli, ponieważ hodowcy skupili się przede wszystkim na innych cechach”.
Wraz ze zmianą klimatu podnoszącą temperatury, Van Zanten twierdzi, że istnieje coraz większa potrzeba uczynienia roślin bardziej tolerancyjnymi na klimat. „Wymaga to wiedzy o tym, jak rośliny radzą sobie z wyższymi temperaturami. W jaki sposób przekształcają otrzymywane sygnały temperaturowe na adaptacje wzrostu? Badanie mechanizmów molekularnych, za pomocą których rośliny przystosowują się do suboptymalnej temperatury, pozwala narzędziom dopasowywać architekturę upraw poprzez hodowlę”.
Mechanizm molekularny włącza postawę cieplną
Rośliny rzeżuchy Thale, które nie przystosowują się już do wyższych temperatur, mogą odzyskać tę zdolność po wystawieniu na działanie niektórych chemikaliów. Zostało to odkryte przez międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Van Zantena. Zespół przetestował dużą liczbę substancji na mutancie rzeżuchy pospolitej, który nie przystosowuje się już do wysokich temperatur. Znaleźli cząsteczkę, która może "włączyć" adaptację do wysokiej temperatury młodych roślin, nawet w niskich temperaturach.
Naukowcy nazywają ten związek „ogrzewaniem”. Modyfikując chemicznie cząsteczkę, a następnie badając, które białka mogą wiązać się z ogrzewaniem, odkryli grupę białek zwaną nitrylazami. Wiadomo, że zidentyfikowana podgrupa występuje tylko w kapuście i pokrewnych gatunkach, w tym rzeżuchy pospolitej.
Biolodzy wraz z firmą zajmującą się hodowlą roślin odkryli, że rzeczywiście gatunki kapusty reagują na ogrzewanie. Odkryli również, że nitrylazy są niezbędne do przystosowania się do wysokiej temperatury, prawdopodobnie dlatego, że umożliwiają produkcję dobrze znanej auksyny hormonu wzrostu. Naukowcy opublikowali to odkrycie w The Plant Journal.
Nowa ścieżka adaptacji do wysokich temperatur
Publikacja wyników Heatin zbiega się z inną publikacją, dziś w Nature Communications. Badania te były prowadzone przez naukowców z instytutu VIB w Belgii, z udziałem Van Zantena. Zespół odkrył wcześniej nieopisane białko, które reguluje sposób, w jaki rośliny przystosowują się do cieplejszego środowiska. Białko nazwano MAP4K4/TOT3, gdzie TOT oznacza cel temperatury.
Co godne uwagi, proces napędzany przez TOT3 jest w dużej mierze niezależny od wszystkich innych ścieżek sygnałowych, które biolodzy do tej pory powiązali z adaptacją cieplną u roślin. Ponadto adaptacje dokonane przez TOT3 nie wydają się być zależne od ilości i składu światła, które świeci na roślinę.
Van Zanten: „Mechanizmy molekularne, dzięki którym rośliny przystosowują wzrost do zmieniającego się składu światła i wysokiej temperatury, w dużym stopniu nakładają się na siebie. Dzięki TOT3 mamy teraz pod ręką czynnik, dzięki któremu możemy kontrolować wzrost w wysokich temperaturach, nie ingerując w sposób, w jaki roślina radzi sobie ze światłem”.
Szerokie zastosowania
„Co czyni go jeszcze bardziej interesującym”, mówi Van Zanten, „jest to, że TOT3 odgrywa podobną rolę w adaptacji wzrostu pod wpływem wysokiej temperatury zarówno w przypadku rzeżuchy, jak i pszenicy. Te dwa gatunki są genetycznie dość od siebie oddzielone. Daje to więc ogromny potencjał do szerokich zastosowań”.
Alternatywa dla inhibitorów wzrostu
Ostatecznie odkrycia TOT3 i roli nitrylaz mogą pomóc w dalszej uprawie wystarczających upraw, nawet gdy temperatura wzrośnie z powodu zmiany klimatu. Odkrycia dają również możliwość opracowania alternatyw dla chemikaliów, które są obecnie często używane do hamowania wzrostu roślin. Jako przykład Van Zanten wymienia kwiaty cięte, które bardzo silnie reagują na wahania temperatury. Dlatego w kwiaciarstwie stosuje się wiele inhibitorów wzrostu, aby rośliny były ładne i zwarte.
„Na przykład w momencie, gdy kupujesz tulipany, nadal mają ładną krótką łodygę”, mówi Van Zanten. „Ale po kilku dniach w twoim domu zaczynają zwisać z krawędzi wazonu. Wyższe temperatury w pomieszczeniach powodują, że rośliny się rozciągają, co ostatecznie prowadzi do ich wiotczenia i zginania się. Mamy nadzieję, że nowa wiedza przyczyni się do wyboru nowych odmian kwiatów, które słabiej rozciągają się w wysokich temperaturach. W ten sposób możemy ograniczyć stosowanie szkodliwych inhibitorów wzrostu”.
Aby uzyskać więcej informacji:
Uniwersytet w Utrechcie
www.uu.nl