Корни получают тайный сигнал — растения выживают там, где обычно погибают

Учёные выявили ключевую роль мелатонина в росте растений по данным ScienceAlert

На поверхности растения могут казаться неподвижными, но внутри их тканей постоянно перемещаются сигналы, координирующие рост и защиту. Разветвлённая сеть химических сообщений связывает корни, стебли и листья, задавая направления развития и реагируя на малейшие изменения окружающей среды. Новые исследования показали, что ключевую роль в этой системе играет мелатонин — молекула, известная человеку по его собственным биологическим ритмам. Об этом сообщает ScienceAlert.

Как растения используют мелатонин

Учёные отмечают, что мелатонин давно перестал быть "человеческим" гормоном сна. Растительные клетки вырабатывают его для решения совершенно других задач, связанных с ростом, ритмами и устойчивостью к стрессам. Исследователи объясняют, что процесс синтеза начинается с триптофана, который последовательно превращается в серотонин, а затем — в мелатонин. Такая цепочка поддерживается несколькими ферментами, контролирующими каждый этап.

Мелатонин в растениях ведёт себя гибко. Он может появляться в разных структурах — хлоропластах, цитоплазме или эндоплазматическом ретикулуме — в зависимости от условий и фаз роста. Особенно высокие уровни наблюдаются на ранних стадиях развития и в формирующихся семенах, где он взаимодействует с природными сигналами, такими как изменения структуры корней при уплотнённой почве.

"Мелатонин стал ключевой молекулой в сельском хозяйстве благодаря своей способности стимулировать рост растений и смягчать абиотические стрессы", — сказал Абдул Латиф Хан из Университета Хьюстона.

"У растений внутренние часы могут регулировать фазу различных биологических процессов, таких как экспрессия генов, метаболическая регуляция и стабильность белка, чтобы совпасть с ежедневными и/или сезонными циклами", — отметил ведущий автор исследования Имад Айджаз.

Благодаря таким механизмам растения лучше справляются с теплом, холодом, засухой или неблагоприятным составом почвы. Химическая гибкость помогает им оставаться активными даже тогда, когда внешние условия выглядят неблагоприятными.

Микробы как союзники растений

Растения эволюционно связаны с почвенными микробами, и новые наблюдения показывают, что эта связь включает и мелатонин. Некоторые бактерии и дрожжи способны выделять его вокруг корней, усиливая защитные реакции и помогая растению развиваться устойчивее.

"Микробы, продуцирующие мелатонин, могут обогатить почвы, повысить доступность мелатонина, поглощение и транспорт внутри растений, чтобы улучшить стрессоустойчивость и рост", — сказал Хан.

Микроорганизмы, такие как Bacillus, Pseudomonas, Lactobacillus или определённые виды дрожжей, способны увеличивать выработку мелатонина при солевом стрессе, низких температурах или высоком уровне металлов. Во время ферментации некоторые микробы выделяют ещё больше полезных соединений, поддерживая питание и здоровье корней. Результатом становится более крепкая корневая система, насыщенные пигменты и улучшенная устойчивость к неблагоприятным факторам.

Суточные ритмы и сигнальные пути мелатонина

Как и у человека, у растений выработка мелатонина следует циклам. Ночью его концентрация повышается, а под солнечным светом снижается. Эти ритмы помогают регулировать ключевые процессы: открытие и закрытие устьиц, распределение энергии и начало цветения. Активность мелатонина распространяется по определённым химическим маршрутам, связанным с рецептором PMTR1, и влияет на направление роста различных тканей.

Исследования показывают, что реакция может заметно отличаться у разных видов, в разные сезоны и даже в пределах одного растения. Однако связь между уровнями мелатонина, прорастанием семян, фотосинтезом и продуктивностью семян остаётся устойчивой.

Мелатонин взаимодействует с растительными гормонами

Мелатонин поддерживает действие других гормонов и помогает растениям сохранять баланс между ростом и защитными реакциями. Особенно ярко это проявляется в сочетании с цитокининами — веществами, которые удерживают листья зелёными и фотосинтетически активными.

При стрессе листья склонны быстро стареть, но мелатонин усиливает сигнал "сохранять зелень", продлевая активный период. Другой пример — взаимодействие с жасмоновой кислотой, гормоном, управляющим защитой от повреждений. При воздействии соли растения часто чрезмерно активируют защитный ответ JA, что замедляет рост. Мелатонин смягчает эту реакцию, позволяя растению направлять ресурсы на развитие.

Мелатонин в почве и роль бактерий

Почвенные процессы тоже меняются под влиянием мелатонина. Он поддерживает полезные группы микроорганизмов, включая протеобактерии и актинобактерии, одновременно снижая количество вредных грибов. Улучшается доступность азота и фосфора, а микоризные грибы становятся активнее, помогая корням усваивать питательные вещества.

"До сих пор большая часть работы была сосредоточена на видах, которые важны для сельского хозяйства или здравоохранения, но мы очень мало знаем о том, как мелатонин работает в диких растениях или тех, которые имеют культурную ценность", — отметил Хан.

Для усиления устойчивости почвенного микробиома учёные тестируют микроорганизмы, способные выделять мелатонин только в нужные моменты. Такие штаммы демонстрируют более сильные корни, улучшенное поглощение питательных веществ и лучшую выживаемость в условиях жары или высокого уровня солей. Эти процессы тесно связаны с реакциями корней на механические барьеры, подобные тем, которые наблюдаются при проникновении растений через плотный грунт.

Сравнение: собственный мелатонин растений и мелатонин от микробов

Растения способны синтезировать мелатонин самостоятельно, но дополнительная микробная поддержка часто усиливает защитные механизмы.

Собственный мелатонин контролирует ритмы, рост и реакции на свет.
Микробный мелатонин повышает устойчивость в стрессовых условиях.
Растения распределяют мелатонин по тканям, формируя внутренние сигналы.
Микробы влияют на почву, улучшая питание и микробиом вокруг корней.

Плюсы и минусы использования мелатонина в агросфере

Применение мелатонина в растениеводстве рассматривается как перспективный инструмент.

Плюсы: повышение стрессоустойчивости и улучшение роста в неблагоприятных условиях.
Плюсы: интеграция с микробиомом укрепляет корневую систему.
Минусы: реакции разных видов могут значительно отличаться.
Минусы: требуется точный подбор дозировок и условий применения.