В процессе засоления почвы белковый комплекс TIME FOR COFFEE концентрировался в ядре растительной клетки, формируя микроскопические капли. Эти структуры притягивали ферменты, которые обычно регулируют активность защитных генов, что способствовало повышению устойчивости растений к воздействию солей.

Засоление почвы представляет собой серьезную проблему для сельскохозяйственного производства. Повышенное содержание соли негативно влияет на функционирование корневой системы, замедляет рост и снижает продуктивность посевов. Усугубляется ситуация на полях, подвергающихся орошению: при испарении воды минеральные вещества остаются в почве, увеличивая ее соленость.

Подобно людям, растения обладают внутренними биологическими часами, которые позволяют им предвидеть смену дня и ночи и своевременно активировать необходимые гены. Исследователи давно были осведомлены о влиянии этих часов на устойчивость к неблагоприятным факторам, однако молекулярный механизм этого влияния оставался не до конца понятным.

Одним из ключевых элементов этих биологических часов у растений является белок TIME FOR COFFEE (TIC), получивший свое название в связи с наблюдаемыми изменениями в поведении растений при мутации – они проявляли признаки недосыпания. Предыдущие исследования показали, что TIC играет роль в реакциях на засуху, а новое исследование выявило его участие в защите от воздействия солей.

Китайские биологи провели исследования с использованием резуховидки Таля, которая служит модельным организмом из семейства капустных. Результаты опубликовали в журнале Science.

В ходе эксперимента ученые культивировали растения, содержащие флуоресцентно меченный белок TIC, и наблюдали за ним с помощью микроскопа. В обычных условиях белок распределялся равномерно по клеточному ядру. Однако воздействие раствора соли приводило к резким изменениям: в течение одной минуты белок концентрировался в ярко выраженных капельках.

Экспериментальные исследования выявили, что эти капли обладают жидкой консистенцией, способны к слиянию и обмену молекулами с окружающей средой. Попытки создания аналогичных структур без добавления соли не привели к образованию подобных капель, что указывает на специфическую реакцию растения на воздействие солей.

Для оценки роли данного белка были проведены испытания с использованием мутантных растений, лишенных функционального TIME FOR COFFEE. Установлено, что такие образцы демонстрируют значительно более высокую чувствительность к воздействию солей по сравнению с обычными растениями: замедляется рост корней и происходит накопление агрессивных окислителей внутри клеток. В то же время, мутанты сохраняют устойчивость к обезвоживанию в отсутствие соленой среды.

Выяснилось, что этот процесс связан с регуляцией активности генов. В нормальных условиях гены, отвечающие за защиту от солей, подавляют активность ферментов-деацетилаз – веществ, удаляющих метки с ДНК, которые необходимы для считывания генетической информации. При воздействии соли капли TIC частично захватывают эти ферменты, что приводит к высвобождению участков ДНК и увеличению количества меток на них, в результате чего гены защиты активируются более интенсивно.

В ходе работы исследователи изучили взаимосвязь с суточными ритмами. У особей с дефектным геном TIC наблюдалось сокращение внутренних часов: цикл составлял приблизительно 21 час вместо стандартных 24. При выращивании таких растений под световым режимом в 21 час, который соответствовал их внутренним ритмам, устойчивость к воздействию солей частично восстанавливалась. По мнению ученых, суточные ритмы оказывают влияние на способность организма противостоять стрессу, однако белок TIC также участвует в этом процессе посредством отдельного механизма, связанного с формированием капель.

Ученые выявили последовательность событий: воздействие соли приводило к образованию капель из белка, эти капли удерживали ферменты-репрессоры, что активировало гены защиты и обеспечивало выживание растения. Новое исследование продемонстрировало, как суточные ритмы, физика образования капель и регуляция генов объединяются в единый механизм.