Cykliczność tych zachowań może się różnić w zależności od położenia geograficznego, klimatu i pór roku. Zegary dobowe roślinne muszą się dostosowywać, aby jak najlepiej radzić sobie z lokalnymi warunkami.

Naukowcy z Earlham Institute i John Innes Centre w Norwich chcieli lepiej zrozumieć, jak duże wahania dobowe występują naturalnie wśród roślin, a ostatecznym celem badań ma być wyhodowanie roślin, które będą bardziej odporne na lokalne zmiany w środowisku związane ze zmianami klimatu.

Zmiana w jednym genie

Aby zbadać genetyczne źródło różnic w cyklu dobowym, naukowcy wzięli pod lupę rosnące w Szwecji rośliny z rodzaju Arabidopsis, czyli rzodkiewników, u których zaobserwowano różne rytmy dobowe. Zespół zbadał geny 191 odmian uzyskanych z całej Szwecji, a następnie rozpoczął poszukiwanie niewielkich różnic genetycznych.

– Na ogólny stan zdrowia rośliny duży wpływ ma to, jak dokładnie jej zegar dobowy jest zsynchronizowany z długością każdego dnia i upływającymi porami roku. Dokładny zegar biologiczny może dać jej przewagę nad konkurentami, drapieżnikami i patogenami – wyjaśnia dr Hannah Rees z Earlham Institute, autorka artykułu podsumowującego wyniki badań.

– Byliśmy zainteresowani tym, jak zmiany w DNA wpływają na zegary dobowe roślin w Szwecji – kraju, w którym występują ekstremalne zmiany długości dnia i klimatu. Zrozumienie genetyki zmian i adaptacji zegara biologicznego może pomóc nam w uprawie roślin bardziej odpornych na zmiany klimatu w innych regionach – podkreśla dr Rees.

Analiza wykazała, że pojedyncza zmiana pary zasad DNA w określonym genie - COR28 – częściej występowała w roślinach, które kwitły późno i miały dłuższy okres wegetacji. COR28 jest znanym koordynatorem czasu kwitnienia, tolerancji na zamarzanie i zegara dobowego.

– To niesamowite, że tylko jedna zmiana pary zasad w sekwencji pojedynczego genu może wpłynąć na szybkość tykania biologicznego zegara – mówi badaczka.

Odpowiedź na klimatyczny kryzys

Naukowcy wykorzystali również pionierską metodę obrazowania z opóźnioną fluorescencją, aby przeprowadzić badania przesiewowe roślin, przy zastosowaniu różnych zegarów okołodobowych. Wykazali, że istnieje ponad 10-godzinna różnica między cyklami najwcześniej budzących się „skowronków”, a najpóźniej budzącymi się roślinami. Wydaje się, że wpływ na tę różnicę miały zarówno geografia, jak i pochodzenie genetyczne rośliny.

– Nasze odkrycia podkreślają znaczenie kilku interesujących genów, które mogą stanowić cele dla hodowców roślin uprawnych i platformę dla przyszłych badań. Nasz system obrazowania z opóźnioną fluorescencją może być stosowany na każdym zielonym materiale fotosyntetycznym, dzięki czemu można go zastosować do szerokiej gamy roślin. Następnym krokiem będzie zastosowanie tego odkrycia do kluczowych upraw rolnych, w tym roślin kapustnych i pszenicy - dodała Rees. 

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Plant, Cell and Environment.