Будущее выглядит непростым для растений. Прогнозируется, что изменение климата приведет к широкомасштабной засухе в тех частях планеты, которые уже борются с засушливыми условиями. Чтобы смягчить потенциально разрушительные последствия для сельского хозяйства, исследователи ищут стратегии, которые помогут растениям противостоять экстремальным экологическим опасностям, включая засуху и солевой стресс, проблема усугубляется, когда оросительная вода проходит через почву, откладывая соли, которые затем могут поглощаться корнями растений, снижая их общее количество. производительность.
Один из подходов заключается в том, чтобы посмотреть на то, как растения естественным образом эволюционировали, чтобы справляться со стрессами, такими как избыток соли. В новом исследовании, опубликованном в Cell Reports, исследователи во главе с биологом Пенсильванского университета Брайаном Д. Грегори и аспирантом Стивеном Дж. Андерсоном определили механизм, которым потенциально можно манипулировать для получения более солеустойчивых культур.
Их работа показывает, что крошечная метка на молекулах РНК - транскриптах, которые транслируются для производства белков - служит для стабилизации и защиты этих нитей генетического материала. Когда растения подвергаются воздействию условий с высоким содержанием солей, РНК-метка, известная как N6-метиладенозин или m6A, предотвращает разрушение транскриптов, кодирующих белки, которые помогают растениям более эффективно справляться со сложными условиями.
«Вот как мы собираемся помочь фермерам», - говорит Грегори, доцент кафедры биологии Школы искусств и наук Пенна и старший автор статьи. «Нам нужно определить способы, с помощью которых мы можем сделать более солеустойчивые и засухоустойчивые растения, и манипулирование этим путем может быть одним из способов сделать это."
Для того чтобы организм мог производить любой белок, он должен сначала обладать соответствующей цепью матричной РНК (мРНК). Но не все мРНК превращаются в белки; некоторые деградируют до того, как достигают этой стадии. В последние годы как биологи млекопитающих, так и биологи растений обращают внимание на метку m6A как на участника процесса, посредством которого мРНК нацеливаются либо на сохранение, либо на уничтожение.
«Интерес к этой марке резко возрос», - говорит Грегори. «Было обнаружено, что это самая распространенная внутренняя модификация мРНК».
У млекопитающих большая часть исследований указывает на метку, помечающую мРНК для разрушения. И хотя некоторые исследования предполагают, что он может функционировать таким же образом у растений, Грегори, Андерсон и их коллеги хотели получить более глобальную картину.
Анализируя листья зрелого арабидопсиса, исследователи определили m6A в нормальных растениях, а также в тех, в которых фермент, добавляющий m6A, был устранен, что экспериментально истощило их метку.
Они обнаружили, что транскриптов, которые были в изобилии при маркировке m6A в нормальных растениях, было намного меньше в мутантных растениях, лишенных m6A, что является признаком того, что метка действовала как защитная способность для стабилизации транскриптов.
Тщательно сравнив нормальные и мутантные растения, команда обнаружила, что m6A, когда он присутствует, защищает транскрипты, предотвращая их деградацию ферментом. Когда эта метка отсутствовала, расшифровки расшифровывались и впоследствии деградировали.
«Это было довольно неожиданно, - говорит Андерсон, - но оказалось, что эта дестабилизация происходила прямо рядом с тем местом, где должны были быть эти метки, но их не было в экспериментальной группе растений».
Следующим шагом было выяснить, почему растения вообще могли выработать этот механизм. У исследователей были намеки на то, что маркировка m6A может быть связана с реакцией на стресс, судя по пораженным генам между нормальными и мутантными растениями. Но для проверки они вырастили растения в сильно засоленной почве и повторили свои эксперименты.
Обработка солью, как они обнаружили, заставляет растения прикреплять больше меток m6A на транскриптах мРНК, связанных с реакцией на солевой стресс, а также на стресс от засухи. Другими словами, растения готовились к решению экологических проблем.
«Это дает растениям динамичный и действительно мощный механизм для регулирования реакции на стресс», - говорит Грегори. «Вы можете переместить эту отметку на стенограммы, которые хотите сохранить».
«Есть также доказательства, - говорит Андерсон, - что растения могут активно удалять метку с ненужных им расшифровок. Мы все еще изучаем этот механизм».
«Эта работа, - говорит Карен Коун из Национального научного фонда, который финансировал исследование, - дает новое понимание того, как геномная информация взаимодействует с сигналами из окружающей среды, что дает благоприятные результаты для организма. Результаты обещают открыть дверь для будущих открытий того, как организмы используют механизмы на основе РНК для поддержания устойчивости и приспособляемости, необходимых им для выживания перед лицом меняющихся условий, открытие, которое имеет прямое отношение к одной из 10 больших идей NSF, понимание Правила жизни: предсказание фенотипа».
В дополнительных последующих экспериментах лаборатория Грегори изучит участие этой метки в других стрессовых ситуациях для растений, например, когда они подвергаются повреждению такими организмами, как бактерии или грибки. Грегори и его коллеги также планируют проводить эксперименты с видами растений, важными для сельского хозяйства, такими как соевые бобы.
Дальнейшее исследование может также помочь им сосредоточиться на механизме, с помощью которого растения прикрепляют эту метку к транскриптам, помогая в разработке стратегий создания растений, которые могут лучше противостоять сложным условиям, создаваемым засухой.