Стресс из-за более высоких температур может вызвать реакцию РНК растения или рибонуклеиновой кислоты - части системы обмена генетическими сообщениями клетки - чтобы помочь справиться с этими изменениями в окружающей среде, по данным группы исследователей штата Пенсильвания.
Исследуя растения риса, исследователи обнаружили, что внезапное повышение температуры привело к изменениям в структуре РНК растения, что было связано с потерей количества его матричных РНК, или мРНК. Молекула мРНК представляет собой особый тип РНК, который передает инструкции ДНК на рибосому в клетке во время процесса производства белка.
Поскольку растения не могут регулировать собственную температуру, как это делают люди, или перемещаться от источника тепла, этот процесс может быть одним из способов, которым растения справляются с жаркими температурами и засушливыми условиями, сказала Сара М. Ассманн, Уоллер, профессор биологии, Научный колледж Эберли.
Хотя потребуются дополнительные исследования, это исследование может послужить важным первым шагом, чтобы помочь фермерам выращивать больше жаро- и засухоустойчивых культур, считают исследователи, которые объявили о своих выводах сегодня (5 ноября) в Труды Национальной академии наук.
«Рис является основным продуктом питания для половины населения мира и особенно важен для натурального сельского хозяйства в некоторых частях мира, поэтому он является жизненно важной продовольственной культурой», - сказал Ассманн. «В связи с изменением климата - и с целью увеличить производство продуктов питания, чтобы накормить растущее население мира - мы всегда пытаемся понять, как растения реагируют на климатический стресс, поэтому потенциально в будущем мы могли бы улучшить сорта сельскохозяйственных культур., либо с помощью селекции, либо с помощью других механизмов, чтобы получить лучшую стрессоустойчивость и более высокие урожаи."
Исследователи изучили более 14 000 различных РНК, чтобы найти изменения в сложной структуре молекул, которые могут сигнализировать об остром тепловом стрессе, сказал Филип Бевилаква, заслуженный профессор химии, биохимии и молекулярной биологии. В отличие от переплетенной двухцепочечной или двойной спирали молекулы ДНК, РНК является одноцепочечной.
Поскольку ДНК состоит из двух цепей, она на самом деле заперта в очень небольшом количестве различных складок, но РНК, поскольку она не связана с другой нитью, способна сворачиваться сама на себя, так что у нее гораздо более сложные складки. РНК, - сказал Бевилаква.
Чтобы создать тепловой стресс, исследователи подвергли одну группу двухнедельных саженцев риса воздействию температуры выше нормальной - 108 градусов по Фаренгейту - всего на десять минут и сравнили эти растения с контрольной группой растений, растущих при температуре 72 градуса по Фаренгейту..
«Мы выбрали такое короткое время, потому что повторная укладка РНК - это быстрый процесс, тогда как последующие процессы, такие как производство белка, протекают медленнее, и нас особенно интересовало, как происходит повторная укладка РНК», - сказал Бевилаква.
Исследователи обнаружили, что складки РНК растений, страдающих от теплового стресса, были более рыхлыми, чем у контрольной группы. Таким образом, развертывание мРНК коррелирует с потерей количества мРНК, что позволяет предположить, что развертывание мРНК способствует ее деградации - метод, который клетки используют для регуляции того, какие гены экспрессируются и когда.
Одна из главных вещей, которую мы обнаружили, заключается в том, что существует корреляция между РНК, которые имеют тенденцию разворачиваться на своих концах, и уменьшением количества этих РНК, а поскольку РНК кодируют белки, вы можете приблизительно сделать вывод, что затем приводит к сокращению кодируемых белков, включая ферменты и все бесчисленные функции, которые выполняют белки», - сказал Ассманн.
По словам Бевилаква, этот процесс дает подсказки о следующих шагах в будущих исследованиях более жаро- и засухоустойчивых культур.
Итак, если потеря структуры приводит к потере изобилия, и если эта потеря изобилия не является оптимальной, то вы могли бы представить, что мы могли бы изменить последовательности концов РНК, сделав их более стабильными, и, следовательно, стабилизировать производство этих белков».
Чжао Су, ведущий автор статьи, сказал, что исследование также открыло новый взгляд на регуляцию генов.
«Это захватывающее исследование раскрывает новый уровень регуляции генов, который ранее недооценивался», - сказал Су. «В частности, мы показали, что мРНК, кодирующие один специфический тип регуляторных белков, факторы транскрипции, особенно подвержены деградации при разворачивании при высоких температурах».
По словам Бевилаква и Ассманна, исследования, такие как этот анализ РНК, который является одним из первых для анализа процесса РНК в самом растении или в естественных условиях, не могли бы состояться без междисциплинарной совместной работы их лабораторий.. По словам Ассманна, лаборатории Бевилакуа и Ассманна сотрудничают уже около десяти лет.
«Что я действительно считаю интересным в этом исследовании, так это то, что оно включает в себя все различные наборы навыков и все различные таланты наших лабораторий», - сказал Ассманн. «Вот что делает науку захватывающей».
Ассманн, Бевилаква и Су работали с Инь Тан, аспирантом биоинформатики и геномики; Лора Ричи, аспирантка по химии; Дэвид Тэк, доктор наук в области вычислительной биологии; и Мэнмэн Чжу, доктор наук в области биологии растений.
Программа исследования генома растений Национального научного фонда поддержала работу.