Биологи объяснили, зачем подсолнухи поворачиваются к солнцу. Почему растения поворачиваются к свету? Почему подсолнухи смотрят в определенную сторону

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

Evan Brown / University of Virginia

Когда подсолнечник прекращает расти и зацветает, циркадианные и светочувствительные механизмы утрачивают свое значение, оставляя растение ориентированным на восток. Разворачивая часть подопытных подсолнечников к западу, ученые убедились, что такими растениями, в отличие от повернутых на восток, практически не интересуются насекомые-опылители. Круглосуточная регистрация температуры показала, что ориентированные на восток цветы значительно лучше и быстрее прогреваются, привлекая насекомых. Когда повернутые к западу цветы нагревали искусственно, интерес опылителей к ним возвращался.

Таким образом, повороты молодых подсолнечников за Солнцем обеспечены совместной работой циркадианных и светочувствительных механизмов, они служат для интенсивного набора биомассы. Ориентация взрослых растений на восток необходима для их прогревания, которое привлекает насекомых-опылителей.

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.

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.

August 5th, 2016 , 05:59 pm

Уже давно люди заметили, что молодые цветы подсолнуха в течение дня поворачиваются вслед за Солнцем, а ночью возвращаются на исходную позицию, чтобы утром снова встретить его на востоке. Что же заставляет растения совершать свой ежедневный ритуал и почему со временем «поклонение» светилу прекращается и зрелые цветки подсолнуха не поворачиваются за Солнцем, а остаются направленными только на восток.

В поисках ответа Стейси Хармер из Калифорнийского университета в Дэвисе и ее коллеги провели серию экспериментов, которые подтвердили догадку о том, что наблюдение за Солнцем необходимо подсолнухам для более эффективного роста. Ученые фиксировали растения, не давая им повернуться, или, наоборот, вращали горшки, нарушая естественный ход движений. И в том, и в другом случае листья растений оказывались примерно на 10% меньше, чем у соседей, которые спокойно поворачивались за Солнцем.

Кроме того, специалисты ставили на стебле несколько точек маркером, чтобы изучить, как движется подсолнух за Солнцем. За точками ученые следили с помощью видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.
Когда днем растения поворачивались вслед за Солнцем, восточная сторона стебля росла более быстрыми темпами, чем западная, в результате сам цветок поворачивался к Солнцу. А в ночное время западная сторона росла быстрее, и стебель поворачивался в другую сторону.

Движение растения осуществляется при помощи специальных моторных клеток, участвующих в механизме роста и находящихся в гибком основании цветка. Выяснилось, что это движение зависело от внутренних часов растения – циркадных ритмов, которые управляют различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера. «Часы» контролируют скорость роста и заставляют одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому подсолнечник постепенно поворачивается вслед за Солнцем.

По мере того как подсолнечник созревает и цветок раскрывается, общий рост замедляется и растения прекращают движение в течение дня, оставаясь ориентированными на восток. Дело в том, что растение реагирует сильнее на солнечный свет рано утром, чем во второй половине дня, поэтому оно постепенно прекращает движение к западу в течение дня.

Ученые вырастили несколько подсолнухов, часть из них высадили в лаборатории, где постоянно был включен свет, а другую - на обычном поле, сообщает Science. Некоторые растения исследователи закрепили в кадках, чтобы они не могли поворачиваться за Солнцем.

Как подсолнух поворачивается к Солнцу

Специалисты поставили на стебле несколько точек маркером, чтобы изучить, как движется подсолнух за Солнцем. За точками ученые следили с помощью видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.

Выяснилось, что движение растения зависело от его внутренних часов - набора светочувствительных белков и «подключенных» к ним генов, которые управляют различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера. «Часы» контролируют скорость роста и заставляют одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому, подсолнечник постепенно поворачивается вслед за Солнцем.

В лаборатории, где длительность дня менялась искусственным образом, подсолнухи теряли способность ориентироваться на Солнце, даже когда искусственный источник света двигался, как и реальное светило. Это негативно сказывалось на скорости роста цветка, наборе биомассы и развитии семечек.

За счет того, что подсолнух движется за Солнцем, цветок быстрее прогревается и привлекает больше опылителей, отметили ученые.

Добавим, что способность растений принимать определенное положение под влиянием солнечного света называется гелиотропизм. Гелиотропные цветы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня, с востока - на запад. Ночью цветы могут ориентироваться достаточно бессистемно, но с рассветом они поворачиваются на восток, к восходящему светилу. В большей или меньшей степени, почти все цветы являются гелиотропными.