Вы когда-нибудь замечали, как растения стремятся уйти от тени к свету? Как растения узнают, где есть свет? Какие физиологические изменения происходят, когда растение подвергается воздействию света различной длины волны?
Здесь мы обсудим, как пигменты, называемые фитохромами, помогают растениям обнаруживать красные и дальние красные длины волн света. Мы также обсудим роль фитохромов в реакции растений на свет и в общем развитии растений.
Что же такое фитохромы?
Способность растения обнаруживать свет в своем окружении имеет решающее значение для его конкурентоспособности и выживания. Благодаря фоторецепторам растения способны распознавать и реагировать на длины волн синего, красного и дальнего красного света. Эти фоторецепторы состоят из хромопротеинов, которые состоят из белка и светопоглощающего пигмента, известного как хромофор.
Фитохромы представляют собой семейство хромопротеинов, чувствительных к красному и дальнему красному свету. В темновом состоянии фитохромы находятся в цитоплазме, где они синтезируются; однако при появлении света они перемещаются в ядро.
Фитохромы имеют две формы:
Pкр(фитохром красный) поглощает красный свет (приблизительно 667 нм). Поглощение красного света превращает Pкр в Pдкр, активную форму белка фитохрома.
Pдкр (фитохром дальнекрасный) поглощает дальний красный свет (примерно 730 нм). Поглощение дальнего красного света превращает Pдкр в Pкр, неактивное состояние белка фитохрома.
Поглощение красного или дальнего красного света изменяет структуру хромофора, что влияет на конформацию и активность фитохромного белка, к которому он присоединен.
Две фото-взаимопревращаемые формы вместе известны как фитохромная система. Система фитохрома действует как «биологический переключатель», который определяет цвет, интенсивность и продолжительность света и реагирует на него: воздействие красного света может заставить фитохром инициировать или «включить» физиологическую активность, в то время как воздействие далекого света красный свет заставляет его подавлять или «выключать» физиологическую активность.
Pдкр — активная форма фитохрома — может либо напрямую активировать другие молекулы в цитоплазме, либо транспортироваться в ядро, где инициирует или ингибирует синтез белка.
Функция фитохрома в растениях
Фитохромы регулируют различные реакции растений на свет, которые имеют решающее значение для их развития, включая прорастание семян, избегание тени и фотопериодизм.
Фитохром и прорастание семян
В природе семена реагируют на факторы окружающей среды, такие как свет, которые сообщают им о сезонных изменениях для начала прорастания.
Растения продуцируют фитохром в неактивной форме (Pкр), а при хранении семян в темноте пигмент почти полностью остается в форме Pкр. Солнечный свет содержит как красный, так и дальний красный свет, однако преобразование Pдкр происходит быстрее, чем преобразование Pкр.
Так, в присутствии солнечного света отношение Pдкр к Pкр возрастает. Это означает, что прорастание семян при достаточном солнечном свете запускается производством и накоплением Pдкр.
Итак, почему прорастание семян так сильно реагирует на свет? Семена различных видов растений, особенно мелкие, прорастают только тогда, когда свет и другие параметры близки к идеальным из-за низкой доступности питательных веществ.
В случае с салатом их проростки не могут расти достаточно долго, прежде чем у них закончатся питательные вещества, поэтому, если их семена прорастут хотя бы на сантиметр под поверхностью почвы, проростки не смогут получать солнечный свет и в конечном итоге погибнут. Таким образом, такие семена могут годами находиться в состоянии покоя, пока условия освещения не станут более благоприятными для обеспечения выживания всходов.
Фитохром и избегание тени
Полный, нефильтрованный солнечный свет содержит значительно больше красного света, чем дальнего красного света. Поскольку хлорофилл сильно поглощает в красной части видимого спектра, но не в дальней красной области, любое растение, затененное другим растением, будет подвергаться воздействию света, обедненного красным, но обогащенного дальним красным светом.
Дальний красный свет превращает фитохром в затененных листьях в Pкр (неактивную) форму, которая побуждает растение направлять больше своих ресурсов на рост, чтобы оно могло поглощать больше прямых солнечных лучей.
Напротив, ближайшие незатененные или даже менее затененные растения имеют больше красного света. Когда листья, находящиеся в этих областях, поглощают прямой солнечный свет, активируется Pдкр (активная) форма фитохрома, что способствует ветвлению и замедлению вертикального роста.
Побеги растений используют систему фитохромов, чтобы расти от тени к свету, где они могут потреблять больше энергии для производства питательных веществ. Поскольку в густом растительном сообществе конкуренция за свет очень сильна, система фитохромов дает растениям эволюционное преимущество.
Фитохром и фотопериодизм
Помимо помощи растениям в обнаружении света, фитохром помогает растениям определять время дня или года, свойство, называемое фотопериодизмом.
Отношение Pкр /Pдкр на рассвете может использоваться растением для расчета продолжительности дневного/ночного цикла. Кроме того, собирая эту информацию за несколько дней, растение может сравнить продолжительность предыдущей ночи с несколькими другими ночами в прошлом.
Если растение отслеживает все более короткие ночи, оно может почувствовать приближение весны.
Если растение отслеживает все более длинные ночи, оно может почувствовать приближение осени.
Определение продолжительности дня или ночи, а также температуры и наличия воды позволяет растениям определять время года и соответствующим образом изменять свою физиологию. Именно благодаря этому механизму сезонно происходит цветение растений, образование семян и покой бутонов.
Роль фитохрома в развитии растений
Фитохромы наделяют растения способностью обнаруживать определенные длины волн света, предоставляя им пространственную (например, где есть щели в кроне, через которые может проходить свет) и временную (например, время года) информацию об окружающей среде. Такая информация имеет решающее значение для определения времени роста и изменений в развитии: от прорастания семян и укоренения сеянцев до цветения и размножения.
Предоставляя им эту информацию и катализируя различные биологические реакции, фитохромы позволяют растениям оптимизировать количество световой энергии, которую они способны поглощать и превращать в питательные вещества.
