Sztuczka ze światłem: Optymalizacja warunków świetlnych przyspiesza wzrost roślin

 Szybka hodowla to nowa technologia rolnicza, która umożliwia tworzenie ulepszonych upraw dwa razy szybciej niż hodowla konwencjonalna. Metoda ta skraca czas generowania pokoleń hodowlanych, oszukując sztywny zegar okołodobowy rośliny poprzez manipulowanie czasem trwania światła i temperaturą.

Chociaż metoda szybkiej hodowli była głównie prowadzona przy użyciu białego światła LED, wcześniejsze badania wykazały, że ekspozycja na światło o różnej jakości również może wspierać wzrost i rozwój roślin. Jednak optymalna jakość światła i związany z nią fotoperiod nie są znane ze względu na złożone interakcje pomiędzy wieloma fotoreceptorami i białkami kontrolującymi wzrost roślin.

W pracy opublikowanej niedawno w czasopiśmie "in silico Plants" dr Mathias Foo, adiunkt w Szkole Inżynierii na Uniwersytecie Warwick, i jego współpracownicy wykorzystali modelowanie obliczeniowe roślin, aby zrozumieć wpływ jakości i fotoperiodu na wzrost roślin.

Rośliny wyczuwają światło i reagują na nie za pomocą receptorów, fitochromów i kryptochromów, które regulują wewnętrzne elementy zegara okołodobowego. Zegar ten generuje rytmy biologiczne i przekazuje je do genów regulowanych w dalszej kolejności, koordynując wydarzenia rozwojowe w ciągu całego życia rośliny.

Autorzy wykorzystali modelowanie do zidentyfikowania mechanizmów molekularnych w obrębie zegara okołodobowego, które są wrażliwe na różne jakości światła i wpływają na wzrost roślin. Po pierwsze, stworzyli nowy model poprzez włączenie funkcji jakości światła do prostego modelu zegara okołodobowego rośliny.

Model zegara okołodobowego ma cztery grupy genów z wieloma powiązanymi ze sobą pętlami i wejściami świetlnymi, co pozwala mu reagować na szeroki zakres ustawień czasu trwania światła/ciemności. W modelu uwzględniono zmienną reagującą na światło, zwaną białkiem P, będącą odpowiednikiem fitochromów, które wpływają na zegar okołodobowy. Białko P jest niezależne od koloru światła. Aby zbadać wpływ światła czerwonego i niebieskiego, autorzy zastąpili białko P funkcją jakości światła składającą się z trzech fotoreceptorów, fitochromu A, fitochromu B i kryptochromu 1, które są wrażliwe odpowiednio na światło czerwone i niebieskie.

W badaniach skupiono się na wzroście hipokotyla. Hipokotyl to łodyga siewki znajdująca się nad korzeniem i pod liśćmi nasiennymi. Hipokotyl jest główną, rosnącą częścią siewki rośliny, dlatego jest odpowiednim wskaźnikiem dla powiązania jakości światła ze wzrostem rośliny.

Autorzy uwzględnili w swoim modelu jeszcze jeden element. Jednym z najlepiej scharakteryzowanych procesów rozwojowych sterowanych światłem jest fotomorfogeneza siewek (w świetle) i skotomorfogeneza (w ciemności). Fotomorfogeneza charakteryzuje się zahamowaniem wydłużania hipokotylu i łodygi, otwieraniem liścieni, różnicowaniem chloroplastów i akumulacją chlorofilu oraz rozwojem liści. I odwrotnie, skotomorfogeneza charakteryzuje się długimi hipokotylami i wydłużonymi łodygami, zamkniętymi liścieniami z hakami wierzchołkowymi, nierozszerzonymi liśćmi oraz niezróżnicowanymi plastydami i chloroplastami. Przejście od skotomorfogenezy do fotomorfogenezy jest regulowane przez świetlne centrum sygnalizacyjne COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1/SUPPRESSOR OF PHYA-105 E3 ligase complex).

Foo wyjaśnia znaczenie włączenia COP1 do ich modelu:

"Niedawno odkryto, że kaskady sygnalizacyjne fotoreceptorów aktywowanych światłem czerwonym i niebieskim konkurują z czynnikami transkrypcyjnymi o wiązanie z COP1. Może to prowadzić do większej elongacji hipokotyla przy świetle czerwonym niż niebieskim i czerwono-niebieskim. Dlatego włączyliśmy COP1 do naszego modelu badającego jakość światła. Jest to pierwszy przypadek uwzględnienia tej interakcji w modelu wzrostu roślin."

Nowy model przewidywał, że receptory światła czerwonego i niebieskiego, fitochrom i kryptochrom, wiążą się konkurencyjnie z COP1 w warunkach światła mieszanego (tj. czerwonego i niebieskiego), co skutkuje większym wydłużeniem hipokotyla w warunkach światła czerwonego niż w warunkach światła mieszanego. Aby zweryfikować te wyniki, autorzy przeprowadzili hodowlę roślin Arabidopsis w warunkach światła czerwonego, niebieskiego lub czerwono-niebieskiego w trzech różnych fotoperiodach przez 10 dni i zmierzyli długość ich hipokotyli. Symulowane przewidywania potwierdziły się z danymi eksperymentalnymi.

Foo podsumowuje:

"Nasz model wykazał, że optymalna jakość i czas trwania światła mogą przyspieszyć wzrost roślin. Model ten może być wykorzystany do pomocy ekspertom w skupieniu się na pewnych obiecujących kombinacjach jakości światła i fotoperiodów, co ostatecznie może doprowadzić do drastycznego skrócenia czasu i zasobów eksperymentalnych."

CZYTAJ ARTYKUŁ:

Miao Lin Pay, Dae Wook Kim, David E Somers, Jae Kyoung Kim, Mathias Foo, Modeling of Plant Circadian Clock for Characterizing Hypocotyl Growth under Different Light Quality Conditions, in silico Plants, 2022;, diac001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac001

itnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
pap.pl