Введение

Избегание тени – это комплекс реакций, которые проявляют растения при попадании в тень от другого растения. Он часто включает удлинение стебля, изменение времени цветения, усиление верхушечного доминирования и перераспределение ресурсов. Этот комплекс реакций в совокупности называется синдромом избегания тени (SAS). Реакции на тень проявляются с разной интенсивностью в зависимости от условий. Большинство растений не являются ни крайними избегателями тени, ни растениями, устойчивыми к тени, а обладают сочетанием обеих стратегий, что помогает им адаптироваться к окружающей среде. Однако способность воспринимать и реагировать на тень играет очень важную роль для всех растений: будучи неподвижными организмами, они нуждаются в доступе к фотосинтетически активному излучению для питания и роста. Кроме того, время начала цветения растения зависит от количества доступного света. За последние несколько десятилетий значительное увеличение урожайности зерновых культур было достигнуто в основном за счет повышения плотности посевов. С увеличением плотности посадки увеличивается доля дальнего красного света в кроне растений. Следовательно, вероятно, селекционеры отбирали линии с ослабленным SAS в стремлении получить высокую урожайность при высокой плотности посевов.

Сенсорный оттенок

Растения могут различать тень от неживого объекта (например, камня) и тень другого растения, а также обнаруживать находящиеся поблизости растения, которые могут конкурировать с ним и затенять его в будущем. В тени растения дальнекрасный свет присутствует в большей интенсивности, чем красный свет, из-за поглощения красного света пигментами, участвующими в фотосинтезе, в то время как соседнее растение формирует промежуточное соотношение. Это явление известно как обогащение дальнекрасным светом. Фитохром может использоваться для измерения соотношения дальнекрасного к красному свету и, следовательно, для определения, находится ли растение в тени другого растения, чтобы соответствующим образом изменить свою стратегию роста (фотоморфогенез). У Arabidopsis фитохром B является основным фоторецептором, регулирующим SAS. Фитохромы существуют в двух формах: PR и PFR. Они синтезируются в форме PR, но красный свет вызывает конформационное изменение, приводящее к образованию PFR. Дальнекрасный свет вызывает обратное превращение фитохрома в PR. Для заданного соотношения красного к дальнекрасному свету будет существовать динамическое равновесие в относительных количествах PR и PFR. Обогащение дальнекрасным светом приводит к увеличению количества PR. Если концентрация PR превышает видоспецифический порог, активируются сигнальные пути, связанные с избеганием затенения.

Ответ рассады

Реакция рассады – наиболее изученный фактор избегания затененности. У модельного организма Arabidopsis thaliana реакция на избегание затененности варьируется на разных этапах жизненного цикла. Сухие, находящиеся в состоянии покоя семена не прорастут в тени. Как только покой нарушен и они впитали воду, семена необратимо переходят к прорастанию. Семена, впитавшие воду, демонстрируют удлинение гипокотиля; если затененность вызвана чрезмерной глубиной почвы, это поможет саженцу быстро расти вертикально и пробиться сквозь землю. Если саженец Arabidopsis оказывается в тени, удлиняются его черешки и междоузлия. Он может даже потерять типичную для розетки форму.

Путь

Исследования с использованием Brassica rapa показывают, что качество и соотношение света, доступного для сеянцев, воспринимаются в семядолях, что приводит к увеличению производства ауксина. Arabidopsis был использован для демонстрации участия факторов, взаимодействующих с фитохромом (PIF), в производстве ауксина. PIF – это факторы транскрипции, которые регулируют тысячи генов, связанных с подавлением прорастания и избеганием затененности, а PIF4, PIF5 и PIF7 напрямую регулируют гены, кодирующие ферменты, необходимые для синтеза ауксина. Предполагается, что другие белки PIF также участвуют в регуляции ауксина и реакции растения. В условиях затененности PR индуцирует дефосфорилирование белков PIF, что усиливает их способность связываться с ДНК и стимулировать транскрипцию генов, участвующих в реакции избегания затененности, включая производство ауксина и его рецепторов. Растение растет на той стороне, где находится ауксин, что вызывает изгиб в противоположном направлении. Ауксин транспортируется в гипокотиль для стимуляции удлинения, однако механизм, посредством которого это происходит, остается неясным.

Реакция взрослых

Реакция уклонения от тени у взрослых растений изучается реже, чем у сеянцев, хотя взрослые растения Arabidopsis демонстрируют более сложные паттерны реакции, чем сеянцы. У взрослых растений, находящихся в тени, удлиняются черешки листьев в розетке, уменьшаются листовые пластинки и подавляется рост боковых почек. Удлиняя черешок вбок, растение переориентирует свои листья, удаляя их от затеняющих растений, чтобы поглощать больше красного света, однако это происходит за счет уменьшения размера листьев. Листья также могут изгибаться вверх к потенциальным источникам света из-за более интенсивного роста на нижней стороне черешка, чем на верхней – этот процесс называется гипонастией. Выпрямление листьев у растений с обычно скрученными листьями также увеличивает площадь поверхности для поглощения света. Если зрелое растение оказывается в тени, реакция уклонения от тени часто также вызывает изменения в репродуктивных стратегиях. Растения могут зацветать раньше, поскольку дальнейший рост структур в краткосрочной перспективе вряд ли приведет к существенному увеличению питательных веществ. У Arabidopsis раннее цветение связано с общим снижением репродуктивного успеха из-за меньшего количества семян, более мелких плодов и более низкой всхожести семян, хотя успех всхожести также зависит от генетической изменчивости между отдельными растениями.

Путь

Как и у саженцев, избегание затененности у взрослых растений включает несколько совместно действующих механизмов. Удлинение черешков является результатом как расширения, так и деления клеток, хотя и не на одной и той же стадии формирования черешков и листьев. В растущих листьях основным фактором является деление клеток, в то время как полностью сформированные листья и черешки полагаются на расширение клеток. Ксилоглюкан эндотрансглюкозилазы/гидролазы (XTH) – это семейство белков, модифицирующих клеточную стенку. В условиях затенения гены, кодирующие XTH9, XTH15/XTR7, XTH16, XTH17 и XTH19, активируются, и эти белки гидролизуют и ослабляют клеточную стенку, позволяя клеткам черешков расширяться. Как и у саженцев, PIF7 участвует в регуляции роста черешков и листьев при низком соотношении R:FR, активируя гены, связанные с ауксином и реакцией на брассиностероиды, которые стимулируют рост. Сигнализация ауксина также необходима для гипонастии, хотя ее роль еще не полностью выяснена. Скручивание листьев в основном является ответом на преобразование фитохрома B в PR в условиях затенения, что способствует неравномерному делению и росту клеток на верхней и нижней сторонах листа. Два избыточных гена, ATHB4 и HAT3, кодируют факторы транскрипции, регулирующие скручивание листьев: мутанты с нарушенной функцией имеют растения с листьями, скрученными вниз, а растения с повышенной экспрессией этих генов – с листьями, сильно скрученными вверх. Изменяя экспрессию этих генов, растения могут выпрямлять листья в ответ на затенение.