Результаты нового исследования раскрывают ключевую загадку химии того, как растения определяют время, чтобы они могли цвести и усваивать питательные вещества.
Этот процесс - тонкое химическое явление - происходит в клетках каждого растения каждую секунду каждого дня.
Новое понимание означает, что фермеры могут когда-нибудь выращивать урожай в условиях или в климате, где они в настоящее время не могут расти, сказал химик Брайан Д. Золтовски из Южного методистского университета в Далласе, который руководил исследованием.
Теперь мы понимаем химию, позволяющую растениям поддерживать естественный 24-часовой ритм в синхронизации с окружающей средой. Это позволяет нам настраивать химию, например, включать или выключать регулятор яркости, чтобы изменять способность организма следите за временем», - сказал Золтовски. «Таким образом, мы можем либо заставить часы растения идти быстрее, либо замедлить их. Изменяя эти тонкие химические процессы, мы могли бы быть в состоянии рационально изменить фотохимию растения, чтобы позволить ему адаптироваться к новому климату».
В частности, исследователи выяснили химические основы того, как химическая связь в белке Zeitlupe формируется и разрывается в ответ на солнечный свет, и скорость, с которой это происходит, чтобы понять, как белки в клетках растений сигнализируют растению, когда нужно цвести, метаболизировать, накапливать энергию и выполнять другие функции.
Команда Золтовски вместе с сотрудниками из Вашингтонского университета и Университета штата Огайо создала штаммы растений со специфическими изменениями в том, как они реагируют на синий свет.
«С помощью этих растений мы демонстрируем, что действительно можем настроить то, как организмы реагируют на окружающую среду в понятной манере», - сказал Золтовски.
Золтовски и его коллеги сделали это открытие, составив карту кристаллической структуры растительного белка, функция которого заключается в измерении интенсивности солнечного света. Белок способен преобразовывать интенсивность света в событие формирования связей, что позволяет растению отслеживать время суток и сообщать растению, когда нужно цвести или усваивать питательные вещества.
Растение использует визуальные подсказки, чтобы постоянно считывать каждый аспект окружающей среды и перенастраивать свои физиологические функции для соответствующей адаптации. Некоторые из этих сигналов контролируются растительными белками, которые поглощают и передают световые сигналы, называемые фоторецепторами. Исследовательская группа специально изучила два ключевых фоторецептора, Zeitlupe (Zite-LOO-puh) и FKF-1.
«У растений есть очень сложный набор фоторецепторов, поглощающих все разные длины волн света, чтобы распознавать каждый аспект окружающей среды и соответствующим образом адаптироваться», - сказал Золтовски, доцент химического факультета СМУ.«Все их клетки и типы тканей работают согласованно друг с другом».
Об этом открытии сообщалось в статье «Кинетика домена LOV Zeitlupe определяет его циркадную функцию у арабидопсиса» в онлайн-журнале eLIFE до публикации в печати.
Соавтором и ведущим автором является Ашутош Пудасаини, выпускник докторантуры химического факультета SMU, который в настоящее время является постдокторантом Юго-западной медицинской школы Техасского университета в Далласе. Другими соавторами являются Чжэ Сун Шим, Янг Хун Сонг и Такато Имаидзуми, Вашингтонский университет, Сиэтл; Хуа Ши и Дэвид Э. Сомерс, Университет штата Огайо; и Такатоши Киба, Центр устойчивого ресурсоведения RIKEN, Япония.
Исследование финансируется за счет гранта Национального института общих медицинских наук Национального института здравоохранения, присужденного лаборатории Золтовского.
Ночь - подходящее время для роста растений
«Если вы живете на Среднем Западе, люди говорят, что вы слышите, как ночью растет кукуруза», - сказал Золтовски, выросший в сельской местности Висконсина.
"В течение дня растение запасает столько энергии, сколько может, поглощая фотоны солнечного света, так что вечером оно может выполнять весь свой метаболизм, рост и развитие. Итак, существует такое разделение между днем и ночью.."
Растения измеряют эти колебания дня и ночи, а также сезонные изменения. Уже существовали знания об исходной химии, биологии и физиологии этого процесса.
Кроме того, Золтовски и его коллеги опубликовали в 2013 году открытие о том, что аминокислоты в Zeitlupe, работающие как регулятор яркости, постепенно становятся более активными по мере того, как день переходит в вечер, тем самым управляя 24-часовым циркадным ритмом. Кроме того, они обнаружили, что FKF-1 сильно отличается от Zeitlupe. FKF-1 включается с утренним светом и измеряет сезонные изменения, иначе называемые фотопериодизмом.
Но пробел в знаниях остался. Оставалось загадкой, как информация интегрируется организмом.
«В конечном итоге это должно быть связано с каким-то химическим событием, каким-то химическим хронометром», - сказал Золтовски. «Итак, следуя по этому следу, мы выяснили, как работает химия».
Снимки темного и светлого состояния
Проблема требовала двустороннего подхода: решение структуры белка, чтобы понять, как формирование и разрыв связей меняет то, как организм воспринимает окружающую среду; и решить химию, в частности кристаллическую структуру темного и светлого состояний белка.
Этот процесс дал снимок белка в темном состоянии и снимок белка в светлом состоянии, поэтому исследователи могли наблюдать изменения в структуре белка в ответ на событие образования связи.
Оттуда исследователи создали математические модели
1), которые объясняют, как химия события разрыва и образования связи, а также скорость, с которой это происходит, должны влиять на организм; и
2), которые создают мутации белка, влияющие на то, как он переходит из темного состояния в светлое, чтобы блокировать этот процесс.
Стандартные методы привели к открытию
Команда использовала несколько стандартных методов. Чтобы понять химию, они использовали спектроскопию в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, чтобы измерить, насколько эффективно белки поглощают свет. Они следили за различиями в спектре поглощения, наблюдая, какие длины волн поглощаются, чтобы отслеживать химические изменения между темным и светлым состояниями.
Что касается структуры, они кристаллизовали белки и собрали данные на синхротронных источниках в Корнелльском университете, а затем нанесли на карту, как головоломку, где все электроны расположены в кристалле. Отсюда они могли подогнать и построить - аминокислота за аминокислотой - белок, получая трехмерное изображение того, где расположен каждый атом в белке.
«Это дает нам изображения и моментальные снимки всех этих дискретных событий, где затем мы можем посмотреть, как атомы движутся и изменяются от одного к другому», - сказал Золтовски. «Это позволяет нам увидеть, как формируются связи, разрываются связи и как в ответ на это изменяется остальная часть белка».
Почему мы до этого не додумались?
Этот вопрос был важным в этой области, но сложные технические препятствия мешали найти решение, сказал Золтовски. Ключом к успеху его команды были настойчивость и многолетний опыт.
С этим белком непросто работать - трудно получить кристаллы этих белков. Для этого требуется белок, который достаточно стабилен и будет взаимодействовать таким образом, чтобы получить идеально упорядоченный кристалл. Так что это сложно чтобы сделать химию и структуру. Исследователи боролись с получением достаточного количества белка, чтобы иметь возможность делать такие характеристики», - сказал он.
Думайте об этом как об алмазе, сказал Золтовски, который представляет собой идеально упорядоченный кристалл, состоящий из атомов углерода, расположенных определенным образом.
Каждый белок Zeitlupe и FKF-1 содержит тысячи атомов, и для того, чтобы получить кристалл, каждая молекула белка должна упорядочиваться с такой же точностью и точностью, как атомы углерода в алмазе. Добиться того, чтобы это произошло, когда они хорошо сочетаются друг с другом, нетривиально. А с некоторыми белками действительно сложно работать».
Zoltowski и его коллегам посчастливилось иметь многолетний опыт работы с этими семействами белков, которые называются доменами, чувствительными к напряжению света и кислорода, или доменами LOV, для краткости..
"Таким образом, за эти годы мы разработали множество навыков и методов, которые могут преодолеть некоторые технические препятствия", - сказал он. «Итак, со временем, приобретая опыт, мы стали лучше работать с некоторыми очень сложными белками. Это делает то, что сложно, гораздо более податливым для нашей лаборатории».
Относится ли это ко всем белкам LOV в каждом растении?
Zeitlupe - это немецкое слово, означающее замедленное движение. Белок был назван Zeitlupe, потому что ученые обнаружили, когда они ранее обнаружили мутации этого белка, что он замедляет работу циркадных часов. Это естественным образом изменило восприятие времени организмом.
«Мы хотели понять белки достаточно хорошо, чтобы мы могли выборочно изменить химический состав или выборочно изменить структуру, чтобы создать мутации, которые можно было бы проверить в организме», - сказал Золтовски. «Нам нужна была прогностическая модель, которая говорила бы нам, что эти мутации, влияющие на кинетику - скорость, с которой эта связь разрывается, - должны вызывать в организме «X»».
Новое открытие команды привело к гибридным растениям - нечто, что природа уже сделала и делала в течение миллионов лет в процессе эволюции, чтобы растения адаптировались, чтобы выжить.
«Мы ничего не добавляем в растение и не меняем его генетику», - сказал Золтовски. «Мы делаем очень тонкую, целенаправленную мутацию определенного белка, который уже является нативным растительным белком, и тот, который, как мы показали в этой статье, значительно эволюционировал в различных сельскохозяйственных культурах, чтобы уже делать это».
Открытие дает ученым возможность рационально интерпретировать информацию об окружающей среде, влияющую на растение, с целью введения мутаций вместо того, чтобы полагаться на селекционное размножение для достижения целевой мутации для создания фенотипов, которые потенциально позволяют растению расти в другой среде..
Исследование открывает много новых дверей, в том числе новые вопросы о том, как эти белки меняют свою конфигурацию и как другие переменные, такие как окислительный стресс, в сочетании с глобальными сенсорными сетями растений также изменяют белки и посылают множественные сигналы от окружение.
«Мы узнали, что вам нужно уделять особое внимание определенным частям белка, потому что они избирательно модулируют активность в разных категориях этого семейства», - сказал Золтовски. «Если мы посмотрим на все семейство этих белков, то увидим, что есть ключевые аминокислоты, которые эволюционно отбираются, поэтому они развивают специфические модуляции этой активности для своей собственной независимой ниши в окружающей среде. белок, на который нам нужно обратить внимание, чтобы понять, чем теперь отличаются аминокислоты».
Помимо гранта NIH, лаборатория работает за счет 250 000 долларов США от Фонда химических исследований Германа Фраша Американского химического общества в области агрохимии.