Вчені пояснили, чому в рослин різна форма листя

Дослідники із США та Китаю визначили генетичні механізми, що лежать в основі різноманітності форм листя у рослин. Отримані дані дозволять адаптувати рослини до різних кліматичних зон та підвищити їхню врожайність шляхом управління формуванням листя на генетичному рівні.

Форма, розмір, структура і складність будови листя рослин можуть значно відрізнятися навіть у різних сортів одного виду, не кажучи вже про їхнє загальне різноманіття в природі. Спостережені відмінності виникли не випадково. Вони обумовлені необхідністю терморегуляції, керування водним режимом листя та адаптації рослин до умов навколишнього середовища, таким як вологість повітря та кількість сонячного світла. 

Різноманітність листя визначається головним чином двома факторами: складністю листа та особливостями його краю. Простий лист складається з однієї плоскої платівки, а складний з декількох простих. У свою чергу край листа може бути цілісним, зубчастим або лопатевим з різною глибиною зубців.

Щоб визначити, від чого залежить характер розвитку листя, біологи з Мерілендського університету (США) та Шеньчженьського інституту синтетичної біології (Китай) вивчили їхнє формування на прикладі лісової суниці (Fragaria vesca). Дослідники визначили два ключові регуляторні шляхи, що беруть участь у розвитку різної структури листя у трьох мутантів суниці. Результати своєї роботи вчені описали у статті, опублікованій у журналі Current Biology .

Зазвичай у суниці утворюється складне листя, що складається з трьох окремих листочків, причому край кожного з них має чітко виражені зубці. Але нещодавно було виявлено мутант з одиночним листям замість потрійних. У новому дослідженні міжнародна команда біологів ідентифікувала мутант із потрійним листям, але глибшими зубцями.

Детально вивчивши геном цих трьох варіантів суниці, вчені виявили два незалежні шляхи, за допомогою яких генетичні фактори SL1 і SALAD визначають складність і зубчастість листя відповідно. Чим більше в зачатку листа синтезується фактор SL1, тим складнішим він вийде: потрійним, п’ятірним і так далі. І навпаки, чим менше в клітинах на краю листа утворюється фактор SALAD, тим глибокі зубці виходять. Дивно, але ці два шляхи регулювання форми листя в кінці сходяться і впливають на роботу одного і того ж гена CUC2, який багато в чому відповідає за ріст і поділ рослинних клітин. 

Причому висновки біологів не обмежуються суницями і можуть застосовуватися до багатьох інших рослин. Експерименти з Arabidopsis thaliana – стандартною модельною рослиною – показав аналогічну регуляцію особливостей листа. На думку дослідників, цей зв’язок може бути використаний, щоб допомогти рослинам адаптуватися чи переносити ширший спектр умов у різних кліматичних зонах.

«Якщо ми зможемо налаштувати це регулювання, ми зможемо, наприклад, змусити рослину виробляти більше біомаси, що потенційно сприятиме збільшенню виробництва фруктів. Ми також можемо вивезти цю суницю кудись за межі її природного довкілля і розширити її адаптивність, змінивши морфологію листя. Наприклад, більше зубців означає, що вони матимуть більш високу стійкість до холоду. А ширше і гладке листя буде краще адаптоване до більш теплого клімату», — пояснили автори нового дослідження.