Mnogo toga što znamo o cirkadijalnim ritmovima biljaka rezultat je laboratorijskih eksperimenata u kojima se ulazi kao što su svetlost i temperatura mogu strogo kontrolisati.
Manje se zna o tome kako ovi biološki vremenski mehanizmi funkcionišu u nepredvidivijem prirodnom svetu gde su evoluirali da bi uskladili živa bića sa dnevnim i sezonskim ciklusima.
Pionirska kolaborativna studija između britanskih i japanskih istraživača pomogla je da se popravi ravnoteža serijom inovativnih eksperimenata na terenu koji pokazuju kako biljke kombinuju signale sata sa signalima životne sredine u uslovima prirodno fluktuirajućih.
Ovaj istraživački tim iz Centra Džon Ines, Univerziteta Kjoto, i Laboratorije Sainsburi, Kembridž, proizveo je statističke modele zasnovane na ovim terenskim studijama koje bi nam mogle pomoći da predvidimo kako bi biljke, među njima glavni usevi, mogle da reaguju na buduće temperature.
„Naše istraživanje naglašava vrednost međunarodne saradnje u međudisciplinarnom naučnom napretku“, rekao je stariji autor profesor Antoni Dod, vođa grupe u Centru Džon Ines. „Fascinantno je videti kako procesi koje smo identifikovali u laboratoriji takođe utiču na biljke u prirodnim uslovima.“
Profesor Hiroši Kudoh sa Univerziteta Kjoto rekao je: „Svaki živi sistem je evoluirao u kontekstu svog prirodnog staništa. Predstoji veliki rad na proceni funkcije genetskih sistema u prirodnim uslovima. Ova studija je osmišljena kao jedan od početaka takav poduhvat“.
Prethodna studija grupe profesora Doda identifikovala je genetski put pod kontrolom biološkog sata koji funkcioniše kako bi zaštitio biljke koje fotosintezuju od oštećenja ćelija u jakim hladnim uslovima.
U ovoj studiji, „Integracija cirkadijskih signala i signala životne sredine u prirodnoj populaciji Arabidopsisa“, koja se pojavljuje u PNAS-u, istraživački tim je odlučio da identifikuje ovaj isti mehanizam u prirodi, oslanjajući se na snažno telo „in natura“ istraživanja koje je predvodio Profesor Hiroši Kudoh.
U dve terenske studije oko martovske i septembarske ravnodnevice, analizirali su prirodnu populaciju biljaka Arabidopsis halleri na ruralnom japanskom poljskom lokalitetu.
Oni su pratili kako se ekspresija gena u biljkama menja tokom 24-časovnih ciklusa kako svetlost i temperatura variraju.
Eksperimenti su uključivali ekstrakciju RNK iz biljaka svaka dva sata, zamrzavanje ovih uzoraka i vraćanje u laboratoriju na analizu kako bi mogli da prate nivoe ekspresije gena u tkivima.
Tim je takođe napravio opremu koja im je omogućila da manipulišu temperaturama oko biljaka. To im je omogućilo da rekapituliraju uslove koje su proizveli u laboratoriji u svojoj prethodnoj studiji.
Biljke su veoma osetljive na crvenu i plavu svetlost; tako, da bi izbegli uticaj na eksperimentalne nalaze, istraživači su nosili zelene filtere preko svojih baklji, što je praktično značilo da su one bile nevidljive biljkama tokom noćnih poseta.
„Iznenađujuće je koliko je teško identifikovati zelene biljke sa zelenom bakljom usred noći, na kiši“, primetio je profesor Dod.
Koristeći informacije prikupljene iz uzoraka, istraživači su primetili obrasce u ekspresiji gena u prethodno otkrivenom genetskom putu koji integriše informacije iz biljnog cirkadijalnog sata sa svetlosnim i temperaturnim signalima.
Prikupljeni podaci su pokazali da su biljke u divljim populacijama pokazale istu osetljivost na hladne i svetle uslove zore koje su ranije primećene u laboratorijskim eksperimentima.
Na osnovu ovih informacija, tim je razvio statističke modele koji tačno predviđaju kako će aktivnost ekspresije gena pod kontrolom cirkadijalnog sata reagovati na signale životne sredine tokom jednog dana u prirodi.
„Verujemo da je ovo prvi put da je neko modelirao čitav signalni put cirkadijanskog sata u biljkama koje rastu na otvorenom“, rekao je profesor Dodd.
„Ako možemo da proizvedemo modele koji mogu tačno predvideti ekspresiju gena u odnosu na uslove životne sredine, onda bi možda bilo moguće uzgajati biljke koje su u stanju da se prilagode budućim klimatskim uslovima.“
Dr Haruki Nišio sa Univerziteta Šiga, zajednički prvi autor studije, rekao je: „Fleksibilnost Bajesovog modeliranja vremenskih serija omogućila nam je da razdvojimo složenu integraciju signala u prirodnom okruženju. Ovaj pristup se pokazao posebno efikasnim za studije sprovedene u složenim okruženjima životne sredine. .“
Ova studija je ispitivala reakcije biljaka na nivou ekspresije gena. Sledeća faza ovog istraživanja je primena statističkih modela proizvedenih u ovoj studiji na funkcije fiziologije biljaka kao što su brzina fotosinteze ili prilagođavanje na temperaturu.
Dr Dora Cano-Ramirez, istraživač cirkadijanskih satova sada na Laboratoriji Sainsburi u Kembridžu i zajednički prvi autor istraživanja, rekla je: „Cirkadijalni sat reguliše mnoge ključne procese u biljkama kao što je prikazano u studijama u laboratorijskim postavkama. Međutim, mi nismo poznato u kojoj meri se ovi procesi pretvaraju u terenske uslove do sada.“
„Razumevanje kako su cirkadijanski regulisani procesi usklađeni sa fluktuirajućim okruženjem modeliranjem ovog signalnog puta, moglo bi biti korisno u predviđanju odgovora biljaka u sve nepredvidivijoj klimi.“
