Обезвоженные семена растений могут находиться в состоянии покоя в течение длительного времени - более 1000 лет для некоторых видов - до того, как наличие воды может вызвать прорастание. Это защищает эмбриональное растение внутри от различных стрессов окружающей среды до тех пор, пока условия не станут благоприятными для роста и выживания. Однако механизм, с помощью которого детское растение ощущает воду и реактивирует клеточную активность, до сих пор остается загадкой.
Новая работа под руководством Яннива Дороне из Карнеги и Сью Ри, а также Стивена Бойнаемса и Аарона Гитлера из Стэнфордского университета обнаружила белок, который играет решающую роль в этом процессе: останавливает прорастание, если почва гидрологически условия далеки от идеальных или позволяют ему продолжаться, если шансы на выживание хорошие. Их результаты имеют большое значение для понимания экологии растений в условиях потепления и для возможности создания засухоустойчивых культур, которые могут пережить изменение климата и бороться с голодом в мире.
Их работа опубликована в Cell.
Дороне, Ри, Бойнаемс, Гитлер и их коллеги, в том числе Бенджамин Джин из Карнеги, Шеннон Хейтли, Флавия Босси, Елена Лазарус и Мойзес Экспозито-Алонсо, использовали молекулярные, физиологические и экологические методы исследования, чтобы раскрыть ранее нехарактерный белок, который они назвали FLOE1.
"Несмотря на исключительную прочность многих семян, растения по-прежнему наиболее уязвимы на этом этапе своей жизни, потому что прорастание должно быть точно рассчитано по времени, чтобы обеспечить наибольшие шансы на выживание. обратно в состояние гибернации - джина нельзя загнать обратно в бутылку», - объяснил Дороне. «Итак, такой белок, как FLOE1, имеет решающее значение для способности растения идти по канату между слишком рано и слишком поздно."
Ключом к возможностям FLOE1 является недавно открытое биофизическое явление, которое сейчас является горячей темой исследований под названием фазового разделения. Этот механизм позволяет клеткам динамически разделять биомолекулы на безмембранные сборки, а не ограничивать их в клеточной органелле, окруженной мембраной.
Думайте об органелле как о офисном здании, где компоненты клетки выполняют свою физиологическую работу; тогда как эти сборки с возможностью разделения фаз больше похожи на ярмарку производителей или хакатон, где белки могут собираться вместе. выполнить задачу, а затем выплатить деньги, когда она будет завершена», - сказал Ри. «Мы обнаружили, что способность FLOE1 очень быстро инициировать этот тип временного сбора имеет решающее значение для его функциональности».
Когда спящее семя чувствует присутствие влаги, FLOE1 почти мгновенно собирается в клетке, чтобы, так сказать, проверить воду и определить, хороши ли условия для того, чтобы семя реактивировалось и начало расти. Поскольку агрегация FLOE1 носит временный и обратимый характер, она может действовать как сигнал «да» или «нет», останавливая прорастание, если определяется, что доступность воды ниже оптимальной, или позволяя ему продолжаться, если в окружающей среде достаточно воды для поддержки успешного роста.
«Мы считаем, что это первое исследование, в котором содержится информация о том, как семена могут непосредственно воспринимать свое состояние гидратации и действовать в соответствии с ним», - добавил Ри.
Авторы говорят, что их открытие может заложить основу для инженерных культур, способных использовать способности FLOE1, чтобы противостоять пагубным последствиям изменения климата. Этот тип улучшений будет играть все более важную роль в борьбе с голодом во всем мире.
Хотя их работа была проведена с использованием экспериментального горчично-зеленого Arabidopsis thaliana, Дороне, Ри, Бойнаемс и Гитлер обнаружили, что FLOE1 присутствует во всем царстве растений, даже в растениях, предшествующих эволюции семян, что означает, что он может играют много дополнительных ролей в клеточной физиологии растений, которые могут иметь дополнительный биоинженерный потенциал.
«Более того, FLOE1 является первым известным белком, который обратимо разделяется на фазы в циклах гидратации-дегидратации, но вполне вероятно, что аналогичные процессы происходят и в других организмах, которые находятся в периоде покоя в периоды обезвоживания, включая человеческие патогены», - заключил Дороне.