Разработанный в лаборатории гормон может раскрыть тайны растений.
Разработав синтетическую версию растительного гормона ауксина и сконструированный рецептор для его распознавания, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Кейко Тори и его коллеги готовы раскрыть внутреннюю работу растений.
Новая работа, описанная 22 января 2018 года в журнале Nature Chemical Biology, представляет собой «преобразующий инструмент для понимания роста и развития растений», - говорит Тории, биолог растений из Вашингтонского университета. Это понимание может иметь большое значение для сельского хозяйства, повышая вероятность, например, нового способа созревания клубники и помидоров.
Для растений гормон ауксин является королем. Помимо многих других задач, ауксин помогает подсолнухам отслеживать солнечный свет, корни растут вниз, а плоды созревают. Этот широкий спектр задач, а также тот факт, что каждая клетка в растении может как производить, так и обнаруживать ауксин, затрудняет определение различных ролей гормона. «Это была огромная загадка, как такая простая молекула может делать так много разных вещей», - говорит Тории.
Она и ее коллеги решили создать новый способ изучения реакции растений на ауксин, разработав лабораторную версию гормона, которую можно точно контролировать. Работая с химиками-синтетиками в Японии, исследователи добавили в структуру ауксина небольшую выпуклость - углеводородные кольца, которых ауксин обычно не содержит. Затем исследователи модифицировали растительный ауксиновый рецептор - белок, который находится снаружи растительных клеток и обнаруживает ауксин. На этот раз исследователи удалили из рецептора громоздкую аминокислоту, создав отверстие идеального размера, в котором находится лабораторный ауксин. Этот простой переключатель, называемый стратегией «удар и дыра», «действительно элегантен», - говорит Тории.
Затем исследователи проверили, может ли этот согласованный набор - синтетический ауксин и синтетический рецептор - выполнять ту же работу, что и естественная пара клеток ауксин/рецептор. Замысловатая система прекрасно работала, как показали эксперименты с корнями.
Обычно корни, подвергшиеся воздействию ауксина, перестают расти вниз и вместо этого растут в стороны, активируя стволовые клетки, которые вырываются из основного корня. Тории сравнивает процесс, называемый развитием боковых корней, с прорывом желудка инопланетян. После обнаружения синтетического ауксина растения арабидопсиса, генетически сконструированные для производства синтетического ауксинового рецептора, вели себя как обычно - отращивали такие же боковые безделушки из корневых ветвей.
Более того, корни, у которых не было синтетического ауксинового рецептора, были практически «слепы» к синтетическому ауксину, что доказывает, что искусственный гормон обнаруживается только искусственным рецептором. Тори и ее коллеги называют этот переход на синтетический ауксин «химическим захватом» - хорошо контролируемым поглощением, которое теперь позволит исследователям распутать запутанную паутину функций ауксина в растениях.
Установив и запустив свою систему, исследователи проверили давний вопрос в биологии растений. Ученые знали, что прорастающие саженцы используют ауксин для быстрого роста. Но точно определить рецептор, который позволяет этому процессу, не удалось.
У научного сообщества был подозреваемый. Команда Тории создала растение, в котором отсутствовал ауксиновый рецептор под названием TIR1, а вместо него была его синтетическая версия. При воздействии искусственного ауксина эти проростки начинали быстро расти, ведя себя точно так, как если бы у них был нормальный рецептор. Результаты показывают, что удлинение семян действительно происходит через рецептор TIR1.
С помощью этой системы можно решать и другие фундаментальные научные вопросы, говорит Тори, например, роль ауксина в созревании кукурузы и в открытии устьиц, структур, которые позволяют растениям дышать.
Однажды синтетический ауксин может даже найти применение в сельском хозяйстве. В настоящее время ауксином опрыскивают фрукты, чтобы ускорить их созревание. Но в высоких концентрациях гормон может действовать как гербицид, убивающий растения. По словам Тории, фрукты, предназначенные для переноса синтетического рецептора, могут созревать с помощью синтетического гормона ауксина, что избавляет от необходимости распылять ауксин без разбора. Но, предупреждает она, необходимо провести гораздо больше испытаний, прежде чем синтетическую гормональную систему можно будет использовать для выращивания продуктов питания.