Жизнь на Земле протекает по 24-часовым циклам. Организмы, от крошечных бактерий до людей, приспосабливаются к смене дня и ночи. Внешние факторы, такие как изменения света и температуры, необходимы, чтобы увлечь часы. Многие метаболические процессы контролируются эндогенными часами. Ученые Йенского университета изучили молекулярные ритмы эндогенных часов «зеленой линии». В текущей публикации в журнале « Физиология растений » команда под руководством профессора Марии Миттаг из Института Маттиаса Шлейдена представляет обзор их генетической основы.
«Зеленая линия» включает зеленые водоросли , мхи, папоротники, голосеменные и цветковые растения. Эти организмы производят значительную часть кислорода на Земле и поэтому необходимы для всех других живых существ. Фотосинтез этих зеленых организмов — преобразование CO 2 и воды в глюкозу и кислород — зависит от света, поэтому решающее значение имеет своевременность этих процессов. Растения готовятся к периоду дневного света еще до восхода солнца и, таким образом, могут наиболее эффективно использовать световую фазу для достижения оптимальных результатов фотосинтеза и других метаболических путей. В результате они лучше растут и переживают конкурентов.
«Приспособленность фотосинтезирующих организмов зависит от целостности их эндогенных часов», — говорит Мария Миттаг. Поэтому профессор общей ботаники и ее команда исследовали, как эндогенные часы развивались в ходе эволюции организмов зеленой линии. С этой целью исследователи изучили часовые гены различных модельных организмов из зеленой линии, начиная с одноклеточных организмов , таких как зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii, через печеночницу Marchantia polymorpha и кончая высшими растениями, такими как кресс-салат, Arabidopsis thaliana.
Криптохромы «законсервированы» в эволюции
Исследователи обнаружили, что некоторые гены, участвующие в циркадных ритмах , встречаются у всех исследованных организмов зеленой линии, в то время как другие часовые гены значительно различаются. Среди генов эндогенных часов, «законсервированных» на протяжении всей эволюции, есть криптохромы. Это молекулы-рецепторы, с помощью которых наземные растения воспринимают синий свет. «Криптохромы важны для захвата и регуляции циркадных часов; они играют эту роль не только у наземных растений и водорослей, но также у грибов, насекомых и млекопитающих», — говорит доктор Ян Петерсен, член исследовательской группы и первый автор. текущего обзорного документа.
На данный момент команда Марии Миттаг изучала криптохромы в модельном организме Chlamydomonas reinhardtii. Его геном даже кодирует четыре разных криптохрома. В то время как два из этих криптохромов участвуют в циркадных часах, функция двух других до сих пор неизвестна. Чтобы детально проанализировать роль одного из этих криптохромов с неизвестной функцией, исследовательская группа Йены сравнила клетки водорослей дикого типа с мутантами, у которых был нокаутирован ген этой молекулы рецептора. «Мы смогли определить, что мутантные водоросли растут значительно медленнее, чем клетки водорослей дикого типа », — говорит докторант Анксхела Рреди.
Недавно изученный криптохром влияет на клеточные структуры, ответственные за фотосинтез
«Однако мы были удивлены тем, что мутантные водоросли были более зелеными, чем водоросли дикого типа», — говорит Рреди. Больше цвета в виде зеленых пигментов на самом деле должно привести к лучшему фотосинтезу и, следовательно, к увеличению роста, поскольку эти молекулы улавливают свет для фотосинтеза. Наконец, исследователи нашли объяснение. Используя электронную микроскопию , они смогли увидеть, что клеточные мембраны, в которых происходит фотосинтез, более плотно упакованы без криптохрома , чем в клетках дикого типа. «С одной стороны, это делает водоросли более темно-зелеными», — объясняет доктор Петерсен. «С другой стороны, это заставляет клетки сильнее затенять друг друга, поэтому на внутренние мембраны просто попадает меньше света, что отрицательно сказывается на росте водорослей».
В настоящее время неясно, как именно недавно изученный криптохром влияет на эти клеточные структуры. Исследовательская группа теперь будет выяснять, играет ли он роль в циркадных часах.
