Первые лабораторные эксперименты с табаком (Nicotiana benthamiana) показали, что возможно активировать естественный защитный механизм растения (иммунный ответ), используя свет в качестве стимула (передатчика сообщения).

Свет служит универсальным средством повседневной коммуникации между людьми, достаточно вспомнить, например, светофор и сигнальные огни маяка.

Исследовательская группа Александра Джонса решила использовать свет в качестве передатчика сообщения при разработке средств, позволяющих растениям общаться с людьми, а людям – с растениями.

Ранее сотрудники Кембриджского университета разработали серию биосенсоров, использующих флуоресцентный свет для визуальной передачи в режиме реального времени информации о том, что происходит на клеточном уровне в растениях, выявляя динамику важнейших гормонов. Эти устройства могут рассказать нам о том, как растения реагируют на стрессовые воздействия окружающей среды, позволяя им "разговаривать" с человеком.

В последнем исследовании, опубликованном в журнале PLOS Biology, описывается новый инструмент под названием Highlighter, который использует определенные условия освещения для активации экспрессии целевого гена в растениях, например, для запуска защитных механизмов – таким образом, человек "разговаривает" с растениями.

Зеленая коммуникация

Концепция, согласно которой человек может общаться с растениями на осмысленном уровне, давно поражает воображение людей. Если бы такая возможность была реализована, это могло бы произвести революцию в сельском хозяйстве и в наших взаимоотношениях с флорой.

"Если бы мы могли предупреждать растения о приближающейся вспышке болезни или нападении вредителей, то они могли бы активизировать свои естественные защитные механизмы, чтобы предотвратить масштабный ущерб, – говорит Джонс. — Мы также могли бы информировать о приближающихся экстремальных погодных явлениях, таких как жара и засуха, что позволило бы растениям скорректировать свои модели роста или сэкономить воду. Это может помочь в создании более эффективных и устойчивых методов ведения сельского хозяйства и снизить потребность в химикатах".

Бо Ларсен, разработчик Highlighter, сделал еще один шаг к достижению этой цели - "разговору" с растениями, создав управляемую светом (оптогенетическую) систему экспрессии генов, адаптированную для растений.

Для понимания клеточной активности биологам необходимо иметь возможность управлять биомолекулярными процессами на клеточном уровне. Оптогенетика – это научный метод, использующий световой стимул для активации или деактивации определенного процесса.

Ученые разрабатывают светочувствительные белки (фоторецепторы) для управления целевым процессом, а затем доставляют эти оптогенетические актуаторы в клетки, которые они хотят контролировать.

Оптогенетика произвела революцию во многих областях, включая нейронауку, где биологи могут изолировать функции отдельных нейронов. Однако этот метод было трудно применить к растениям. Это связано с тем, что они уже содержат большое количество фоторецепторов и нуждаются в широком спектре света для роста. Переход от темноты к свету активирует собственные фоторецепторы растений и множество клеточных систем.

Проблема усугубляется тем, что во многих наиболее эффективных оптогенетических актуаторах используются генетические компоненты растений, а значит, при использовании в самих растениях они могут вступать в перекрестное взаимодействие с родными фоторецепторами.

Непредвиденные трудности

В поисках оптогенетического переключателя экспрессии генов, который можно было бы использовать при нормальных условиях освещения в садоводстве, не влияя на эндогенную (то есть обусловленную внутренними процессами) физиологию и развитие растений, Джонс обратился за советом к Дж. Кларку Лагариасу из Калифорнийского университета в Дэйвисе, специалисту в этой области.

Тот предложил использовать прокариотическую оптогенетическую систему CcaS-CcaR, которая первоначально была получена от фотосинтезирующих микробов и использует соотношение сигналов зеленого (включено) и красного (выключено) света. Модулируя спектр белого света, необходимого растениям для роста, можно включать или выключать гены с помощью минимально инвазивного стимула.

Однако при модификации Highlighter в эукариотическую оптогенетическую систему Ларсен обнаружил неожиданную реакцию синего света (выключено). Может быть, в результате преобразования изменились спектральные свойства зелено-красного в фоторецепторе CcaS?

Совместно с Алексом Джонсом, Инес Камачо и Ричардом Кларком из Национальной физической лаборатории они выяснили, что новая система, как и исходная, способна использовать зеленый и красный свет. Однако спектроскопический анализ также показал наличие независимого сенсора синего света.

При внедрении в растения Highlighter использует минимально инвазивные световые сигналы для активации и инактивации. Кроме того, он не подвержен влиянию цикличности свет-темнота в камерах роста.

В настоящее время система неактивна в условиях синего света и активна в темноте, а также в условиях белого, зеленого и, как ни странно, красного света. Команда уже продемонстрировала оптогенетический контроль над иммунитетом растений, производством пигментов и желтого флуоресцентного белка.

"Highlighter – это важный шаг вперед в развитии оптогенетических инструментов для растений, и его управление генами с высоким разрешением может быть использовано для изучения большого числа фундаментальных вопросов биологии растений, – добавляет Джонс. – Увеличивающийся набор инструментов с разнообразными оптическими свойствами также открывает захватывающие возможности для улучшения сельскохозяйственных культур. Например, в будущем мы сможем использовать одни условия освещения для запуска иммунного ответа, а затем другие для точного определения времени наступления определенного признака, например, цветения или созревания".