Функции корней растений выходят далеко за рамки простой фиксации в земле. Корни действуют как рот растения, поглощая, сохраняя и направляя воду и питательные вещества, необходимые для выживания.
Исследователи приложили огромные усилия для создания растений, которые более эффективно справляются с этими задачами, чтобы вывести более выносливые формы, способные противостоять засухе или условиям с низким содержанием питательных веществ.
В новом исследовании исследователи из Пенсильванского университета сделали еще один шаг к достижению этой цели. Они идентифицировали два белка, которые регулируют, образует ли клетка в корнях растений волосковую клетку, которая увеличивает площадь поверхности для поглощения, или неволосковую клетку. Растения со сверхэкспрессией одного из этих регуляторов процветали, несмотря на то, что были лишены ключевого питательного вещества - фосфора.
"Обычно растения реагируют на лишение фосфора, становясь меньше, что означает меньше биомассы, меньше производства продуктов питания и меньше семян", - сказал Брайан Грегори, доцент кафедры биологии Школы искусств и наук Пенна. старший автор статьи. «Интересно то, что путем сверхэкспрессии одного из этих белков, которые мы идентифицируем, GRP8, мы смогли получить растения, которые не демонстрируют такого рода карликовость почти так же значительно, как нормальные растения при голодании по фосфору. Это именно тот фенотип, который нам нужен».
Такие растения, которые производят больше волосковых клеток и, таким образом, могут с большей готовностью поглощать воду из почвы, также могут хорошо себя чувствовать в условиях, которые, по прогнозам, будут более распространены при изменении климата, особенно во время широко распространенных засух.
Ведущий автор работы, опубликованной в Developmental Cell, - Шон В. Фоули, недавний доктор философии. получатель программы для выпускников клеточной и молекулярной биологии Медицинской школы Перельмана при Пенсильвании. Дополнительными участниками из Penn были Сагер Дж. Госаи, Нур Селамоглу, Амелия С. Солитти и Февзи Далдал из Департамента биологии, а также Бенджамин А. Гарсия из Перельмана. Они объединились с Донсюэ Ваном и Роджером Б. Дилом из Университета Эмори; Тино Кёстер, Александр Штеффен и Дороти Штайгер из Билефельдского университета Германии; и Эрик Лайонс из Аризонского университета. Дил и Грегори являются соавторами статьи.
Исследователи первоначально проводили исследование с целью определения различий в РНК между двумя очень похожими популяциями волосковых и неволосковых клеток в корнях видов растений Arabidopsis thaliana. Используя чистые популяции ядер каждого из двух типов клеток, они применили подход, разработанный ранее лабораторией под названием PIP-seq, который позволяет получить полный каталог взаимодействий между РНК и РНК-связывающими белками, взаимодействий, которые могут влиять на экспрессию генов. Эта методология также позволила команде изучить вторичную структуру или складку всех клеточных транскриптов РНК.
«Мы смогли увидеть явные различия во вторичной структуре РНК, а также различия в связывании белков между корневыми волосками и неволосковыми клетками», - сказал Фоули.
В качестве следующего шага они идентифицировали некоторые РНК-связывающие белки, которые демонстрировали различные профили связывания между клеточными популяциями, и нашли два, которые показались важными. Один из них, названный SERRATE, «известно, что он играет роль, - сказал Фоули, - в альтернативном сплайсинге и биогенезе микроРНК», процессах, которые могут различным образом изменять экспрессию генов.
Когда они исследовали мутантные линии растений с пониженным уровнем SERRATE, они обнаружили, что у растений было больше волосковых клеток, более длинных.
Вторым РНК-связывающим белком, который они идентифицировали, был GRP8, также белок, который, как известно, влияет на реакцию растений на стресс посредством регуляции процессов, влияющих на экспрессию генов. Растения, которые исследователи разработали для сверхэкспрессии GRP8, имели увеличенное количество клеток корневых волосков.
Чтобы проверить, влияет ли этот признак на способность растения расти, они культивировали растения со сверхэкспрессией GRP8 в бедной фосфором почве. Они обнаружили, что эти растения способны включать гены, повышающие способность поглощать и транспортировать фосфаты по сравнению с нормальными растениями. В результате растения стали крупнее.
«Мы действительно наблюдаем повышенное поглощение фосфатов, а также увеличение биомассы этих растений», - сказал Фоули. «Мы получили более крупные и выносливые растения при голодании по фосфатам. Мы считаем, что это связано с функционированием GRP8 в пути реакции на фосфаты, что приводит к увеличению образования корневых волосков».
В ходе проводимых сейчас исследований авторы проверяют, распространяются ли эти результаты на другие виды растений, особенно на сельскохозяйственные культуры. Фосфат является необходимым ресурсом для растений и, следовательно, компонентом большинства удобрений, но избыток фосфата часто попадает в водоемы, где он может нанести вред водным экосистемам. Выращивание сельскохозяйственных культур, требующих меньшего количества фосфатов, может уменьшить эти проблемы.
В дополнение к применению результатов для повышения эффективности производства продуктов питания исследователи отмечают, что их метод выявления различий в РНК между двумя близкородственными типами клеток может распространяться и на другие системы, помимо растений.
«Это исследование демонстрирует нашу способность, - сказал Грегори, - использовать полногеномный подход к изучению двух очень похожих типов клеток, а затем углубляться и находить биологически значимые белки для изучения. модель для нас и других, чтобы продвинуться вперед в поиске посттранскрипционных регуляторов на разных стадиях развития и реакции на стресс и во всех возможных сценариях.
Добавил Фоули: «Нечто подобное действительно вызывает вопросы: если мы можем иметь различную вторичную структуру между этими типами клеток, во время каких других процессов может рефолдироваться РНК и какие другие процессы это может помочь регулировать. направление, в котором движется лаборатория."
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Немецким исследовательским фондом и Национальным институтом общих медицинских наук.