Подсолнухи возле кампуса UC Davis. Новое исследование кампуса показывает, как подсолнухи используют свои циркадные часы, чтобы предвидеть рассвет и следовать за солнцем по небу в течение дня. (Chris Nicolini, UC Davis)

Содержание

  • Растущие подсолнухи используют циркадные часы, чтобы смотреть на восток на рассвете
  • Подсолнухи растут лучше, когда они могут следовать за солнцем в течение дня
  • Зрелые подсолнухи сталкиваются на восток, теплое утреннее солнце привлекает опылителей


Сейчас лето, и поля округа Йоло (Yolo) заполнены рядами подсолнухов, покорно наблюдающих восходящее солнце. В ближайшем университете Дэвиса (UC Davis, Калифорния), биологи растений открыли, как подсолнухи используют свои внутренние циркадные часы, действующие на гормоны роста, для того чтобы следовать за солнцем во время дня по мере того как они растут.

“Это первый пример того, как часы растения модулируют рост в естественной среде и имеют реальные последствия для растения», — сказала Стейси Хармер (Stacey Harmer), профессор биологии растений в университете Davis и старший автор статьи, которая будет опубликована 5 августа в журнале Science.

Хармер – молекулярный биолог, изучающая циркадные часы. Обычно он делает исследования в лаборатории над растением Арабидопсис, которое заметно меньше, чем подсолнух. Ранее лаборатория Хармер обнаружила связи между генами «часов» и растительным гормоном ауксином, который регулирует рост. Но Хармер и ее коллега Бенджамин Блэкман (Benjamin Blackman), из Университета Беркли и университета Вирджинии, нуждались в примере для работы, и они нашли такой пример в подсолнухе.

С востока на запад и обратно

Растущие подсолнухи начинают день с того, что их головы обращены на восток, качаются на запад в течение дня и возвращаются на восток ночью.

«Растение предвосхищает время и направление рассвета, и для меня это выглядит как причина наличия связи между часами и траекторией роста”, — сказала Хармер. Это поведение подсолнухов было описано учеными еще в 1898 году, но никто ранее не думал связывать его с циркадными ритмами.

Хагоп Атамиан (Hagop Atamian), исследователь в лаборатории Хармер, в сотрудничестве с лабораторией Блэкмена в университете Вирджинии (в настоящее время в Калифорнийском университете в Беркли), провел серию экспериментов с подсолнухами в поле, в горшках на открытом воздухе и в закрытых камерах роста.

Подвязывая растения, чтобы они не могли двигаться, или ежедневно поворачивая горшечные растения, чтобы они столкнулись с неправильным путем, Атамиан показал, что он может нарушить их способность отслеживать солнце. Как следствие, солнце обеспечивает ускорение роста растений. Подсолнухи были подвязаны, чтобы они не могли двигаться. Исследователи обнаружили, что неподвижные растения уменьшили свою биомассу и сократили площадь листьев, в сравнение с теми, которые могли двигаться.

Когда растения были перемещены в крытую камеру для роста с неподвижным надземным светом, они продолжались менять позицию взад и вперед по несколько дней. Это то поведение, которое вы ожидаете от механизма, управляемого внутренними часами, сказала Хармер.

Наконец, комнатные растения снова начали отслеживать «солнце», когда видимый источник освещения перемещался через камеру роста, включая и выключая соседние огни в течение дня. Растения могли надежно отслеживать движение и возвращаться ночью, когда искусственный день был близок к 24-часовому циклу, но не тогда, когда он был ближе к 30 часам.

Часы и два механизма роста

Так как же растения двигают свои стебли в течение дня? Атамиан положил чернильные точки на стебли и заснял их видеокамерой. На замедленном видео он мог измерить изменяющееся расстояние между точками.

Он обнаружил, что, когда растения следили за солнцем, восточная сторона стебля росла быстрее, чем западная. Ночью западная сторона росла быстрее, когда стебель качался в другую сторону. Команда определила ряд генов, которые были выражены на более высоких уровнях на солнечной стороне растения в течение дня или на другой стороне ночью.

Хармер сказала, что в стебле подсолнечника, по-видимому, работают два механизма роста. Первый устанавливает базовый темп роста для растения, исходя из имеющегося света. Второй, контролируется циркадными часами и под влиянием направления света, заставляет стебель расти больше с одной стороны, чем с другой. Как следствие подсолнух колеблется с востока на запад в течение дня.

По мере созревания подсолнуха и открытия цветка общий рост замедляется, растения перестают двигаться в течение дня и располагаются лицом на восток. Похоже это происходит потому, что, по мере замедления общего роста, циркадные часы обеспечивают более сильную реакцию растения на свет рано утром, чем после полудня или вечером. Поэтому оно постепенно останавливается обращенным на запад во время дня.

Зачем подсолнуху смотреть на солнце?

Почему зрелые подсолнухи смотрят на восток в любом случае? Исследователи выращивали подсолнухи в горшках на поле и поворачивали некоторые из них на запад. Измерив цветы с помощью инфракрасной камеры, они обнаружили, что восточные подсолнухи нагреваются быстрее утром — а также привлекают в пять раз больше опыляющих насекомых. Нагретые обращенные на запад цветы с переносным обогревателем принесли больше опылителей к цветкам.

«Пчелы любят теплые цветы», — сказала Хармер.

Исследование финансировалось Программой исследований генома растений Национального научного Фонда США (National Science Foundation’s Plant Genome Research Program).

«Как и люди, растения полагаются на ежедневные ритмы дня и ночи, чтобы функционировать», — сказала директор программы Энн Сильвестр (Anne Sylvester). «Подсолнухи, как солнечные панели, следуют за солнцем с востока на запад. Эти исследователи используют информацию в геноме подсолнуха, чтобы понять, как и почему подсолнухи отслеживают солнце.”

Дополнительные соавторы статьи-Ники Кре (Nicky Creux) из Калифорнийского университета в Дэвисе, Эван Браун (Evan Brown) и Остин Гарнер (Austin Garner), представляющие университет Вирджинии.