за счет чего поворачивается подсолнух
Ученые объяснили механизм и предназначение поворотов подсолнечника за Солнцем
Hagop Atamian / U.C. Davis
Американские ученые выяснили, какие механизмы отвечают за ориентацию масличного подсолнечника (Helianthus annuus) на Солнце и какое эволюционное значение это имеет. Оказалось, что способность поворачиваться под действием солнечного света (гелиотропизм) связана с согласованной работой светочувствительных механизмов и циркадианных ритмов растения. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Молодые подсолнечники в течение светового дня поворачиваются вслед за Солнцем с востока на запад, а ночью — обратно, чтобы с утра снова встречать солнечный свет. Расцветшие растения прекращают это движение и всегда обращены на восток. Чтобы понять, за счет чего это происходит, сотрудники Университетов Калифорнии и Виргинии провели ряд экспериментов в поле и закрытом помещении.
На первом этапе работы они искусственно фиксировали часть подопытных подсолнечников, не давая им следовать за Солнцем. Общая биомасса и площадь листьев таких растений оказалась в среднем на 10 процентов меньше, чем у росших без ограничений. Таким образом, поворот за Солнцем необходим молодым растениям для более интенсивного роста.
Обратный поворот на восток в течение ночи указывает на то, что в этом процессе задействованы механизмы регуляции циркадных ритмов. Ученые подтвердили это, внося подсолнечники с поля в помещение с постоянным освещением (растения еще несколько суток продолжали вращение) и навязывая им искусственный 30-часовой цикл освещения (ритм поворотов растений сбивался, возвращаясь к норме при 24-часовом цикле).
У подсолнечника нет листовых подушечек — специальных двигательных органов, которые обеспечивают гелиотропизм у некоторых видов растений. Учитывая то, что амплитуда движений подсолнечника убывает по мере роста вплоть до полного отсутствия у зрелых растений, ученые предположили, что повороты подсолнечника за Солнцем обеспечивает неравномерное удлинение стебля в течение суток. Эксперименты с растениями, лишенными гормона роста гиббереллина, а также изучение активности генов в западной и восточной сторонах стебля подтвердило эту гипотезу. Причем оказалось, что рост западной стороны стебля, более интенсивный ночью, происходит «по умолчанию», а необходимый днем рост восточной — регулируется светочувствительными механизмами (в частности перераспределением гормона ауксина под действием фототропинов).
Изменения температуры цветка в течение суток
Почему подсолнух поворачивается к солнцу?
Пока подсолнухи растут, их головы (корзинки) поворачиваются взад и вперед, чтобы следить за солнцем в течение дня
Подсолнухи смотрят на восходящее солнце, потому что повышенное утреннее тепло привлекает больше пчел, а также помогает растениям более эффективно размножаться.
«Удивительно, что они смотрят на восток», — сказала Стейси Хармер, профессор биологии растений из Калифорнийского университета в Дэвисе и автор новой научной статьи. «Им лучше смотреть на восток, так как они производят больше потомства».
Пока подсолнухи растут, их головы (корзинки) поворачиваются взад и вперед, чтобы следить за солнцем в течение дня. Предыдущая работа ученых показала, что это отслеживание контролируется внутренними циркадными часами растения.
Но по мере созревания цветочных головок, или корзинок, их стебли становятся жесткими и одеревеневшими, это движение уменьшается до тех пор, пока все головки не будут обращены к утреннему солнцу.
Когда ученые изменили ориентацию подсолнухов, повернув их горшки, они заметили, что цветочные головки, обращенные на восток, привлекают гораздо больше пчел, особенно утром, чем растения, обращенные на запад.
В серии экспериментов исследователи обнаружили, что головки цветов, обращенные на восток, были значительно теплее утром, чем головки цветов, обращенные на запад. По их словам, это тепло приносит пчелам энергию, когда они собирают пищу рано утром. Прямой солнечный свет также освещает ультрафиолетовые пятна на лепестках цветов, которые видны пчелам, но не видны людям.
Ориентация влияет на высвобождение пыльцы и развитие цветов
Подсолнечник на самом деле состоит из сотен, а иногда и тысяч отдельных цветков. Эти отдельные соцветия сначала развиваются на внешнем крае цветочной головки, образуя характерные спиральные узоры.
Ориентация растений также повлияла на развитие цветов и репродуктивный успех. Растения, обращенные на восток, имели тенденцию давать более крупные и тяжелые семена. Они также выпускали пыльцу рано утром, что совпало со временем посещения пчел.
Эти эффекты, казалось, контролировались температурой на цветочной головке. Когда исследователи использовали переносной обогреватель для разогрева растений, обращенных на запад, они смогли получить те же результаты, что и у подсолнухов, обращенных на восток.
Кроме того, исследователи обнаружили, что пыльца растений, обращенных на восток, принесла больше потомства, чем пыльца растений, обращенных на запад.
Генетики выяснили, как подсолнух поворачивается к Солнцу
МОСКВА, 5 авг – РИА Новости. Подсолнухи обладают удивительным умением постоянно «смотреть» на Солнце благодаря мутации, поменявшей работу их «внутренних часов» таким образом, что они крайне необычно дирижируют ростом его клеток, заставляя соцветие вращаться с востока на запад в светлое время суток, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
«То, что растение имеет представление о том, когда и откуда взойдет Солнце, заставило меня предположить, что существует связь между «биочасами» и той цепочкой белков и генов, которые управляют ростом подсолнухов. Помимо того, что так цветок получает больше света, он еще и больше привлекает пчел, так как они любят теплые поверхности», — заявила Стэйси Хармер (Stacey Harmer) из университета Калифорнии в Дэвисе (США).
Опираясь на это предположение, Хармер и ее коллеги раскрыли одну из самых старых и интересных загадок ботаники, изучая работу так называемых циркадных ритмов, управляющих всеми процессами внутри клеток растений и животных в зависимости от времени суток, и их влияния на работу оксина – белка-стимулятора роста.
Для этого авторы статьи вырастили несколько подсолнухов, часть из которых высадили в лаборатории, где постоянно был включен свет, а другие – на обычном поле. Часть растений ученые закрепили в кадках таким образом, что они не могли поворачиваться за Солнцем, что позволило им оценить последствия отказа от подобного эволюционного приспособления.
Ученые выяснили, как подсолнух поворачивается к Солнцу
Подсолнухи обладают удивительным умением постоянно «смотреть» на Солнце благодаря мутации, поменявшей работу их «внутренних часов» таким образом, что они крайне необычно дирижируют ростом его клеток, заставляя соцветие вращаться с востока на запад в светлое время суток.
«То, что растение имеет представление о том, когда и откуда взойдет Солнце, заставило меня предположить, что существует связь между «биочасами» и той цепочкой белков и генов, которые управляют ростом подсолнухов. Помимо того, что так цветок получает больше света, он еще и больше привлекает пчел, так как они любят теплые поверхности», — заявила Стэйси Хармер (Stacey Harmer) из университета Калифорнии в Дэвисе (США).
Опираясь на это предположение, Хармер и ее коллеги раскрыли одну из самых старых и интересных загадок ботаники, изучая работу так называемых циркадных ритмов, управляющих всеми процессами внутри клеток растений и животных в зависимости от времени суток, и их влияния на работу оксина – белка-стимулятора роста.
Для этого авторы статьи вырастили несколько подсолнухов, часть из которых высадили в лаборатории, где постоянно был включен свет, а другие – на обычном поле. Часть растений ученые закрепили в кадках таким образом, что они не могли поворачиваться за Солнцем, что позволило им оценить последствия отказа от подобного эволюционного приспособления.
В раскрытии принципов этого движения им помог остроумный прием, придуманный одним из авторов статьи – биологи взяли маркер и нанесли на стебель подсолнуха несколько точек, за которыми они следили при помощи видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.
Как показали наблюдения, «мотором» в движении цветка были внутренние часы растения – набор светочувствительных белков и «подключенных» к ним генов, управляющих различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера.
Если длительность дня менялась искусственным образом, то подсолнухи теряли способность ориентироваться на Солнце, даже если искусственный источник света двигался по «небосводу» так же, как и реальное светило. Это сразу же негативно сказывалось на скорости роста цветка, наборе биомассы и развитии семечек.
Фломастерные «точки» рассказали о том, как именно это происходит – оказалось, что эти часы влияют на движение цветка двумя путями: контролируя скорость роста и заставляя одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому, подсолнечник постепенно поворачивается в светлое время суток, следуя за Солнцем.
У такой черты подсолнуха может быть один неожиданный эволюционный плюс – как выяснили Хармер и ее коллеги, пчелам нравятся теплые цветы, особенно в утреннее время, и поворот в сторону Солнца помогает цветку быстрее прогреваться и привлекать больше опылителей.
Ученые узнали, почему подсолнухи следуют за солнцем
Ученые закрепляли одни молодые подсолнухи так, чтобы те не могли поворачиваться, а другие разворачивали наоборот, с востока утром к западу вечером. Оказалось, что фототропизм — способность поворачиваться к источнику тепла и света — объясняется неравномерным ростом растения и служит для более эффективного прироста массы. Растения, в жизнь которых так грубо вмешивались, дали на 10% меньше площади листьев, чем подсолнухи, которым позволили расти свободно.
Ученые выяснили, что каждые сутки стебель растения проходит две фазы роста: сначала прирастает восточная сторона, слегка разворачивая соцветие к западу, а ночью растет западная часть стебля, поворачивая цветок обратно к востоку. Регулируется этот процесс циркадными ритмами растения и сигнальными путями, зависящими от температуры и освещенности окружающей среды. В разное время суточного цикла факторы роста вырабатываются в разных количествах; одновременно разные фазы циркадного цикла усиливают или ослабляют чувствительность рецепторов растения к свету и теплу в зависимости от времени суток.
После того, как бутон распускается, стебель прекращает расти, и следование за солнцем прекращается. Однако последствия суточного цикла роста продолжают сказываться: все взрослые подсолнухи развернуты на восток — туда, где их лепестки быстрее нагреваются с утра, привлекая больше опылителей.