У растений есть встроенный «календарь сезонов»

Прежде чем решить, что надеть завтра, вы можете заглянуть в телефон. Растения делают нечто похожее: у них есть внутренний механизм, названный «измерителем сезонов», который отслеживает температуру за предыдущие недели или месяцы, чтобы определить время цветения. Исследователи из Университета Цукубы, сравнивая два вида диких многолетних растений в течение двух лет, обнаружили, что каждый из трех генов этого механизма работает в разном временном масштабе — от нескольких дней до почти пяти месяцев, и вместе они надежно предсказывают все четыре сезона года. Результаты опубликованы в PLOS One. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.

Многие проблемы, с которыми сталкиваются растения, возникают не один раз, а повторяются с предсказуемой годовой цикличностью, например зимние холода перед весной или сокращение светового дня перед осенью. Поскольку эти сигналы предсказуемы, эволюция благоприятствовала системам, позволяющим растениям готовиться заранее, а не реагировать только на сегодняшнюю погоду. Такая подготовка требует внутренней памяти.

Поскольку ДНК сама по себе не может записывать меняющуюся среду, растения сохраняют информацию о прошлых температурах через эпигенетические изменения в хроматине. Вместо реакции только на температуру конкретного дня растения несут встроенное устройство, которое ведет текущий учет того, как температуры менялись за предыдущие недели и месяцы, позволяя прогнозировать предстоящий сезон и решать, когда расти, цвести или ждать. Один теплый день в середине зимы может обмануть этот механизм и вызвать раннее цветение, тогда как один холодный период весной задерживает уже начавшееся цветение.

Хотя ученые давно знали, что растения помнят прошлые температуры, не существовало стандартного метода измерения того, насколько далеко простирается эта эпигенетическая память и работает ли она одинаково у разных растений и генов. Чтобы восполнить этот пробел, исследователи изучали два диких долгоживущих вида семейства горчичных, растущих в Японии: васаби, который растет в горном лесу, и A. halleri, который растет вдоль горного ручья. Они отслеживали одни и те же три гена у обоих видов в течение двух полных лет.

Сравнивая активность каждого гена с записями температуры за предыдущие недели и месяцы, команда оценила диапазон прошлых температур, наиболее сильно отражающихся в активности каждого гена. Они обнаружили, что «измеритель сезонов» состоит из трех генов, которые интегрируют прошлые температуры в разных временных масштабах. Один ген оглядывался только на несколько дней, другой — на несколько недель, а третий — почти на пять месяцев, самый длинный интервал, измеренный в этой системе на данный момент. Вместе эти перекрывающиеся окна памяти позволяют отслеживать сезонную динамику в течение всего года. Та же закономерность наблюдалась у обоих видов растений, несмотря на их очень разные жизненные циклы, что предполагает общую стратегию, а не особенность конкретного вида.

Затем команда проверила, может ли «измеритель сезонов» предсказывать реакции на климат. Используя модель, построенную исключительно на основе данных о прошлых температурах, исследователи успешно предсказали, как гены будут вести себя в отдельный год, который не использовался для построения модели. Этот результат показывает, что сезонный прогноз, полученный с помощью метода, воспроизводим и не является простым совпадением, возникающим из данных, использованных для построения модели.

Поскольку этот подход требует только измерений активности генов и температуры, а не детального понимания лежащих в основе биологических механизмов, его можно распространить на другие гены, экологические сигналы, такие как осадки или световой день, и другие виды. По мере продолжающегося изменения климата такие подходы могут помочь исследователям предсказать, как дикие и культурные растения отреагируют на непривычные погодные условия.