про пользу темноты

plantarum — 26.12.2020 Молочай красивейший, Euphorbia pulcherrima, вечнозеленый кустарник. У себя на родине, в Центральной Америке, пуансеттия может вырастать до трёх-четырёх метров высотой. В продажу у нас поступают растения, полученные из небольших укоренившихся черенков.



Цветки у пуансеттии мелкие, невзрачные. Привлекательность растению во время цветения придают брактеи - прицветные листья.

Чтобы перейти к цветению пуансеттия должна 6-8 недель стоять в полной темноте не менее 14 часов в сутки. Полная темнота означает полная темнота. То есть свет от комнатного освещения, или от уличного фонаря, попадающий через окно на пуансеттию, не позволит образоваться цветочным почкам. Подавляющее большинство пуансеттий, которые оказываются сейчас на прилавках, местного производства. Они выращены в оранжереях, в которых короткий день получается естественным образом. Производители просто следят, чтобы не было случайных источников света, продлевающих "день", укорачивающих "ночь". Случайный источник света, прервавший этот двухмесячный режим всего один раз на каких ни будь пятнадцать минут, может загубить всю работу.


Молочай красивейший или Пуансеттия Euphorbia pulcherrima Willd. ex Klotzsch Curtis’s Botanical Magazine, t. 3458-3541, vol. 63 [ser. 2, vol. 10]: t. 3493 (1836)

Так, от уютного рождественского растения, мы переходим к интереснейшему и важнейшему явлению, которое называют фотопериодизм.
Всё, что происходит в жизни растений, так или иначе связано с изменениями в окружающей среде. Период непрерывных дождей и засуха, понижение и повышение температуры. Эти факторы сильно влияют на развитие растений. Но эти факторы не так уж стабильны. Зима может наступить раньше, а может - позже. Средняя температура может очень сильно колебаться от года к году. Год от года сильно отличается по количеству выпавших осадков. Есть только один фактор, который очень стабилен. Это - Солнце. Тёплой или холодной будет предстоящая зима мы не знаем. Но мы абсолютно точно знаем, что до 21 декабря день будет сокращаться, а потом - удлиняться. И продолжительность дня - невероятно устойчивая, предсказуемая штука.

Сейчас в интернете можно купить почти всё. В огромных интернет-магазинах можно найти научные журналы прошлых лет. Можно, например, увидеть репринтное издание номера журнала, изданного сто лет назад - "Journal of Agricultural Research, Vol. 18: 1920". Почему этот специальный научный журнал, по меркам современной науки давно устаревший, до сих пор вызывает интерес? Потому, что в нём была опубликована статья Гарри Арделла Алларда и Уайтелла Гарнера "Влияние относительной продолжительности дня и ночи и других факторов окружающей среды на рост и размножение растений"
Garner, W.W. and Allard, H.A. (1920) Effect of the Relative Length of Day and Night and Other Factors of the Environment on Growth and Reproduction in Plants. Journal of Agricultural Research, 18, 553-606.



История открытия фотопериодизма сама по себе очень интересна. И начинается она с табака сорта Мэриленд (Maryland). Это один из базовых сортов табака, его много где выращивают. В 1906 году были обнаружены мутантные типы среди растений табака разновидности Мэриленд, отличавшиеся огромными размерами листьев и необычной густотой листвы. Они получили название Мэриленд Маммот - Nicotiana tabacum cv. Maryland Mammoth. Табак виргинский, Nicotiana tabacum, растение однолетнее, и сохранить его можно только получив его семена. В отличие от исходного сорта, Maryland Mammoth цвести не хотел. Появление гигантских растений среди сорта Мэриленд отмечали и позже, но ни разу они не цвели.

NB В статье "GIGANTISM IN NICOTIANA TABACUM AND ITS ALTERNATIVE INHERITANCE" Гарри Аллард цитирует своего коллегу Гарнера, котоый, в свою очередь, считает, что Maryland Mammoth это результат скрещивания двух различных линий табака Мэриленд.
https://www.journals.uchicago.edu/doi/pdfplus/10.1086/279706

На опытном поле, на котором работали Гарри Аллард и Уайтелл Гарнер, среди обычных растений сорта Мериленд появился Мэриленд Маммот. Аллард и Гарнер очень хотели получить его семена. И вот все растения исходного типа табака уже цветут, а Мэриленд Маммот - нет. Гарнер и Аллард боялись, что он не зацветет до заморозков и перенесли его в теплицу. Мэриленд Маммот упорно не хотел цвести. И вдруг, в середине декабря, упрямый Маммот сформировал бутоны, а потом зацвел и даже дал столь желанные семена.

Первые исследования Аллард и Гарнер проводили на растениях табака. Потом они перешли к опытам на других растениях, понемногу приходя к пониманию, что переход растений к цветению зависит от продолжительности светового дня. Это явление назвали фотопериодизмом.

Дальнейшее изучение этого явления привело к тому, что растения разделили на три группы.
1. Растения короткого дня. Это растения, которым для того, чтобы перейти к цветению, необходимо определенное время иметь световой день и ночь определенной продолжительности. Обычно для перехода к цветению таким растениям нужен световой день продолжительностью 10-12 часов. Яркий пример такого растения - пуансеттия.
2. Растения длинного дня. Это растения, которые переходят к цветению при длине светового дня 14-16 часов и даже при непрерывном освещении (полярный день). Типичный пример такого растения - редис.
3. Фотопериодически нейтральные растения. Они могут перейти к цветению вне зависимости от продолжительности светового дня. Яркий представитель этой группы - роза.


Редька посевная, Raphanus sativus var. sativus Revue horticole, sér. 4 vol. 70 (1898)

Казалось бы - вот, всё стало просто и понятно. А вот нет. Не стало. Чем больше ученые изучали фотопериодизм, тем больше вопросов вставало. Были найдены длинно-короткодневные растения и коротко-длиннодневные. Для перехода к цветению первые должны сначала развиваться при длинном дне, а затем — при коротком, а вторые - наоборот, сначала при коротком, а потом - при длинном. Выяснилось, что даже разные сорта одного и того же культурного растения могут быть короткодневными, а могут - длиннодневными. Что собственно и было в случае с сортами табака Мериленд и Мериленд Маммот.

Надо сразу сказать, чтобы не получилось путаницы. Фотопериодизм не имеет никакого отношения к фотосинтезу. Это совсем другая история. Фотопериодизм - явление, присущее не только растениям, но и грибам, и бактериям и животным.

Когда открыли явление фотопериодизма, им стали заниматься химики и физиологи растений во многих лабораториях мира, и выяснили вещи совершенно замечательные. Оказалось, что для фотопериодического ответа растению нужно очень мало света. Гораздо меньше, чем для фотосинтеза. Оказалось, что влияние на растение оказывает не время освещенности, а наоборот, темнота. Так что первоначальное деление растений на растения короткого дня и длинного дня можно считать неточным, правильнее было бы говорить о растениях длинной ночи и короткой ночи. Но к тому времени уже прижились термины типа "растение короткого дня" и их оставили.

Если короткодневное растение ночью осветить на несколько минут, оно не перейдёт к цветению. Причем для снятия эффекта длиной ночи достаточно просто зажечь свечу в комнате с таким растением.

Этим эффектом научились пользоваться, например, при круглогодичном выращивании хризантем. Это растение короткого дня, и если в теплице, где хризантемы выращивают, ночью включать на несколько минут свет, они не зацветут. Когда нужно чтобы растения в теплице перешли к цветению, эффект длинной ночи восстанавливают и хризантемы закладывают цветочные почки.


Хризантема садовая Chrysanthemum morifolium Ramat. Sweet, R., British flower garden vol. 1 (1823-1825)[tt. 1-100] t. 7

В середине сороковых годов Стерлинг Хендрикс (Sterling Hendricks) и Гарри Бортвик (Harry Borthwick) изучали фотопериодизм у сои сорта Билокси. Этот сорт сои оказался очень удобным объектом потому, что прервать влияние длинной ночи на него можно было освещая его лампой в течение всего одной минуты. Хендрикс и Бортвик решили выяснить, какая длина волны успешнее всего прерывает ночь у этих растений. Они соорудили прибор в котором могли облучать листья светом с разной длиной волны, и с его помощью выяснили, что ночь прерывается красным светом с длиной волны 660 нанометров.Другие области спектра были практически не эффективны. Потом этот опыт удалось повторить и на других растениях.



Садоводы знают, что есть семена, которые плохо прорастают в темноте, например, семена петунии и салата. Другие же семена наоборот, плохо прорастают на свету. Нигелла, например. Когда ученые стали сравнивать результаты кратковременного освещения семян популярного сорта салата Гранд Рапидс выяснилось, что для его прорастания нужен свет с той же длиной волны, что и свет в опытах Хендрикса и Бортвика - 660 нм. Это привело ученый к заключению, что в растении существует вещество, которое взаимодействует со световыми волнами именно этой длины.



На этом чудеса не заканчиваются. Оказалось, что свет с длиной волны 730 нм нейтрализует действие света с длиной волны 660 нм!
То есть получается, что в растении есть вещество, которое "включается" красным светом с длиной волны 660 нм и "выключается" так называемым дальним красным светом с длиной волны 730 нм. Более того, можно последовательно "включать" и "выключать" процесс, последовательно применяя облучение светом с разной длиной волны. Проводились опыты, в которых длину волны меняли до ста раз! И результат всегда зависел от того, в каком "положении" оставляли "выключатель".



В 1959 году биофизик Уоррен Батлер (Warren Butler) и биохимик Гарольд Зигельман (Harold Siegelman) методом спектрофотометрии открыли пигмент, который Батлер назвал фитохромом. Только в 1983 году его молекула была выделена в чистом виде, а в 1985 году была определена последовательность оснований у гена, кодирующего этот белок. Позднее обнаружили, что существует несколько типов фитохрома. Сейчас уже установлено, что есть целое семейство фитохромов. Каждый фитохром существует в двух формах - Фк (поглощающий красный свет 660нм) и Фдк (поглощающий дальний красный свет 730нм). Не активная форма фитохрома - Фк. В этой форме он синтезируется. Под действием красного света он превращается в активную форму Фдк. В этой форме он запускает множество химических реакций. В первую очередь - запускают копирование последовательностей с генов, кодирующих гормоны, а уже гормоны запускают дальнейшие процессы. Например - формирование генеративных (цветочных) почек вместо вегетативных. Облучение дальним красным светом превращает фитохром Фдк обратно в неактивный Фк.

Как это работает чуть подробнее. Сразу предупреждаю, я совсем-совсем не химик, и химические процессы понимаю на уровне попугая, повторяющего красивые слова. Но эти красивые слова - отличные теги для гугления. Вот так одно посмотришь, другое посмотришь и вроде весь процесс начинает худо-бедно в голове вырисовываться.

Так вот, фитохром. Молекула фитохрома это хромопротеид, он состоит из двух частей. Есть небольшой участок, способный поглощать свет, он называется хромофор. Хромофор это не белок, это вещество относящееся к классу органических соединений, называемых тетрапирролами и состоящих из четырех пиррольных колец.

Вот тут про тетропиррольные кольца очень хорошо рассказано.
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435606/Koltsa_za_kotorye_derzhitsya_zhizn

Тетрапиррол, который работает хромофором в фитохроме называется фитохромобилин. Вот так он выглядит.



Четыре кольца - A-B-C-D. У него есть две пространственные формы. Под действием света разной длинны кольцо D поворачивается так или сяк. Хромофор присоединен к белку (хромопротеид же!). Меняется пространственная форма хромофора - вслед за ним меняется пространственная форма белка, к которому хромофор присоединён. Из неактивной формы белок принимает активную форму. Готовую к работе в клетке.



Это очень схематическое, упрощенное объяснение очень сложных процессов. Многое в фотоприодизме еще не понятно. Не до конца ясна локализация фитохромов в клетках растений. По-видимому, Фк синтезируется в цитоплазме клеток, а Фдк находят в ядре. С длиной света тоже всё оказалось не так просто. Выяснилось, что активен так или иначе свет с любой длиной волны, кроме зелёного (500-550 нм), но есть участки спектра, в которых активность выше, а есть такие, в которых ее почти нет.

Вот тут можно было бы обратить взоры на фитолампы и возложить на них все свои чаяния. Вот же они вожделеные синий и красный. Цветём граждане, и процветаем.

Всё оказалось не так просто. Чем больше ученые узнают про фитохромы, тем сложнее оказывается картина. Оказывается, не просто так в природе растение находится под широким спектром солнечного излучения. Оказалось, что каждая молекула фитохрома непрерывно переходит из одной формы в другую, и скорость такого перехода зависит от интенсивности светового потока. При этом он проходит через промежуточные формы, и примерно 20% молекул фитохрома в растении находится именно в промежуточном состоянии, которое, вероятно, тоже играет важную роль в развитии растения.

Вот так всегда. Сначала появляется вопрос, вроде бы находится ответ, всё становится просто-понятно, но стоит копнуть глубже и всё опять становится сложно-запутано. Но уже на новом уровне.

Интересно всё же наш мир устроен.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив