Proč některé rostliny kvetou na jaře a jiné na podzim | Věda a život

Moderní molekulárně genetická data potvrzují práci ruského rostlinného fyziologa M. Kh. Chailakhyan, která byla provedena před sedmdesáti lety.

V Ústavu fyziologie rostlin pojmenovaný po. K.A. Timiryazev RAS nedávno proběhly XIII čtení Chailakhyanova. Letos byla tato událost obzvláště slavnostní, protože byla načasována na oslavu 110. výročí narození Michaila Khristoforoviče Chailakhjana, světoznámého biologa, akademika a veselého člověka, který věděl, jak kolem sebe shromáždit lidi a nakazit je zájmem. výzkumná práce. Je ctí podávat reportáž na takové akci. Letos si shromáždění vyslechli profesora z University of North Texas, USA, Briana Eyra. Jeho přednáška se jmenovala „Za fotoperiodou a kvetením: Florigen jako regulátor rostlinné architektury a nástroj pro biotechnologii“. Jak Michail Khristoforovič Chailakhyan oslavil ruskou vědu?

Věda a život // Ilustrace
Věda a život // Ilustrace
Věda a život // Ilustrace
Věda a život // Ilustrace
Věda a život // Ilustrace
Věda a život // Ilustrace

Ve třicátých letech dvacátého století, když se začal zajímat o zdánlivě jednoduchou otázku, proč některé rostliny kvetou na jaře a jiné v létě nebo na podzim, provedl řadu elegantních a jednoduchých experimentů, ve kterých byl schopen najít odpověď na tuto otázku. . Chailakhyan přesvědčivě ukázal, že hormon florigen je syntetizován v rostlinách (z latinského „floreo“ – kvést a „gen“ – generativní) a signálem pro jeho tvorbu je délka dne.

Citlivost na délku dne je charakteristická pro mnoho rostlin mírné šířky. (Nejdelším dnem na severní polokouli je 21. červen. Před tímto datem den roste a po něm klesá. Délka dne nezávisí na rozmarech počasí. Proto rostliny, jejichž „biologické hodiny“ jsou nastavte na délku denního květu každý rok přibližně v jednu a ve stejnou dobu). Na základě jejich reakce na délku dne se rostliny dělí na dlouhé denní (kvetou, když den překročí kritickou délku), krátkodenní (den se zkrátil než kritická délka) a neutrální.

Navrhl, že vlivem určité délky dne dochází v rostlinách k syntéze látek hormonální povahy, jejichž kombinace navozuje světlý vrcholný proces v životě všech vyšších rostlin – kvetení. Navíc jsou tyto látky syntetizovány ve velmi specifických „kompetentních orgánech“ – ve zralých formovaných listech a odtud vstupují do apikálního meristému (tvořícího pupen), určující jeho budoucí osud – co se stane: listový výhonek nebo květ. Mladý, nově otevřený list není schopen tyto látky syntetizovat. Mladé rostliny, které nedosáhly požadované kritické biomasy, je také nemohou syntetizovat. Například v prvním roce po zasetí semen dlouhodenní rostliny jako zvonek a náprstník nekvetou, veškeré jejich úsilí směřuje k „vybudování“ biomasy a získání „kompetence“ pro následné kvetení.

Michail Khristoforovič Chailakhyan provedl pokusy s chryzantémou a perilou (rostliny krátkého dne), rudbekií (rostlina dlouhého dne), slunečnicí (neutrální rostlina), tabákem (odrůdy s různou citlivostí na délku dne) a mnoha dalšími rostlinami, aby zjistil, který orgán rostlina vnímá délku dne. Protože jsou listy, stonky a meristémy výhonků neustále vystaveny světlu, znamená to, že délka dne musí být „registrována“ jedním z těchto orgánů. Logika experimentu byla jednoduchá: všechny mladé listy jsme odřízli shora, aby nemohly vysílat signály do meristému, a staré listy necháme. Vezměme látku nepropouštějící světlo. Touto látkou brzy večer přikryjeme staré spodní listy jedné rostliny a vrch necháme na světle. Listy budou mít krátký den a meristém dlouhý den. Vršek jiné rostliny večer přikryjeme a listy necháme na dlouhém dně. Která pokvete rychleji?

Ukázalo se, že pokud jsou listy chryzantémy trochu „probuzené“ a „spí po dlouhou dobu“, rostlina kvete. Pokud mají listy „dlouhý den“ a „krátkou noc“, pak kvetení nenastane, i když je meristém ztmavlý tkání, což pro něj vytváří podmínky pro krátký den. Tehdy M. Kh. Chailakhyan navrhl, že v listech s krátkým dnem se tvoří určité látky, které jsou transportovány do meristému – a ten tvoří květy. Jak ale dokázat, že je to látka, která slouží jako signál?

Michail Khristoforovič vzal další rostlinu krátkého dne – perillu. Z perilky, která vyrostla během krátkých dnů, uřízl list a narouboval jej na nekvetoucí perilu, která rostla dlouhé dny. A rostlina kvetla, i když zůstala po dlouhé dny!

Akademik Chailakhyan provedl obrovské množství experimentů, narouboval výhonek rostliny krátkého dne – topinambur – na neutrální rostlinu slunečnice a nejenže se mu podařilo způsobit její kvetení, ale také tímto experimentem dokázal, že kvetoucí hormony jsou univerzální a nezávisí na druhu rostliny.

V 50. letech minulého století se vědcům podařilo pomocí biochemických metod izolovat jeden z hormonů, giberelin. Gibbereliny jsou celá třída látek, čítající více než 150 různých látek. Čím delší je den, tím více giberelinů se v listech syntetizuje. Poté jsou spolu s cukry transportovány po rostlině. Takto listy „informují“ všechna rostlinná pletiva, že se prodloužila délka dne. Postříkáte-li rostliny dlouhého dne roztokem giberelinu, budou se „zdávat“, že den je dlouhý (i když ve skutečnosti není). A rostliny budou kvést. Bohužel až dosud nebylo možné rostliny krátkého dne „oklamat“. Roztoky giberelinu na ně nemají žádný vliv.

Po objevu giberelinů se práce prováděné v Chailakhyanově laboratoři dále rozvíjely a vedly k pochopení, že na regulaci kvetení se podílejí nejméně dva typy hormonů. Akademik Chailakhyan věřil, že hormonální komplex kvetení, který nazval florigen, se skládá ze dvou komplementárních skupin fytohormonů – giberelinů a hypotetických antezinů. U rostlin s dlouhým dnem se obě složky florigenu tvoří, když je den dlouhý, takže mohou kvést. V podmínkách krátkého dne však obsahují pouze anthesin, proto mezi nimi převládají rostliny s růžicovou růstovou formou (např. rudbekie, salát). Neutrální rostliny obsahují obě složky a mohou kvést v dlouhých i krátkých dnech. Rostliny krátkého dne za příznivých podmínek syntetizují giberelin i anthesin a za dlouhých dnů pouze giberelin, ale to nestačí k přechodu do kvetení. Gibberellin je nezbytný pro růst stopky a anthesin je nezbytný pro vývoj květin a vzájemně se doplňují.

Pokud jde o druhou složku florigenu, anthesin, Chailakhyan navrhl, že se musí skládat z dusíkatých sloučenin. Pokusy o rozluštění chemické podstaty anthesinu však dlouho nebyly úspěšné. Teprve v roce 1991 členové Chailakhyanovy laboratoře zjistili, že se v listech rudbekie začal syntetizovat protein o molekulové hmotnosti 27 kDa, který vysílal signál ke květu. Stejný protein se brzy objeví v meristému. Vědci navrhli, že by tento protein mohl nějak souviset s florigenem, ale tato práce nebyla nikdy dokončena kvůli zastavení financování fyziologie rostlin v Rusku.

Později se v několika zahraničních laboratořích na modelové rostlině Arabidopsis ukázalo, že produkt genu FT (flowering locus T) si může nárokovat roli florigen: tento malý protein o hmotnosti asi 23 kDa je syntetizován v listech a následně transportován do meristému, což způsobuje tvorbu květů. Na základě Chailakhyanovy teorie může být také považován za proteinový hormon, analogicky s hormony živočišných bílkovin.

Nyní bylo charakterizováno mnoho genů, které řídí přechod do kvetení u Arabidopsis. Tyto geny se vzájemně ovlivňují. Bylo vyvinuto mnoho modelů, které tyto interakce odrážejí. Moderní model přechodu rostlin do květu se skládá ze čtyř hlavních biochemických drah vytvořených za podmínek (1) příznivé délky dne (fotoperiody), (2) příznivé teploty, (3) změn souvisejících s věkem a (4) giberelinů. Rozdíl mezi tímto schématem a florigenskou teorií vidíme v určitém rozporu mezi dvěma koncepcemi přechodu do kvetení: fyziologickým a molekulárně-genetickým. Podle Chailakhianovy hypotézy je giberelin nezbytnou součástí stimulu kvetení. Je syntetizován v listech a účastní se procesů doprovázejících přechod rostliny do květu. Výsledky molekulárně genetických studií vedly vědce k názoru, že giberelin není spojen s fotoperiodickou reakcí a působí odděleně. Nyní je tato pozice revidována a giberelinová dráha je také závislá na fotoperiodě.

V roce 2011 byla v řadě laboratoří vyvinuta nová technologie pro produkci kvetoucích rostlin na bázi florigenu. V genomu rostlinných virů byly geny pro obalový protein nahrazeny genem FT. Po infekci virem začnou listy syntetizovat florigen. Ale bez obalového proteinu se virus nemůže rozšířit po celé rostlině, ale florigen ano a z listů putuje ke špičce výhonku a způsobuje kvetení. Tato metoda byla schopna způsobit kvetení bavlny, sóji a dalších rostlin. V jabloni tak pod vlivem „florigenního“ viru vykvetly sazenice prvního roku. Výzkum pokračuje.

Rýže. 1. Kvetoucí chryzantéma.
Rýže. 2. Schéma experimentů M. Kh. Chailakhyan na indukci kvetení chryzantém.
Rýže. 3. Schéma experimentů M. Kh. Chailakhyan s přerušováním noci v závodech s krátkým dnem (SDR) a dlouhým dnem (LDR).
Rýže. 4. Přátelská karikatura.
Rýže. 5. M.Kh. Chailakhyan a jeho zaměstnanci ve skleníku.
Rýže. 6. Sazenice jablek mohou kvést, pokud jsou ošetřeny geneticky modifikovaným virem, který syntetizuje florigen místo skořápkového proteinu.

Autor: Larisa Aksenová