Мы можем сказать, когда растения нуждаются в воде: их листья свисают и они начинают выглядеть сухими. Но что происходит на молекулярном уровне?
Ученые из Института Солка продвинулись вперед, ответив на этот вопрос, который может иметь решающее значение для адаптации сельского хозяйства к засухе и другим стрессовым факторам, связанным с климатом.
Новое исследование предполагает, что перед лицом неблагоприятных условий окружающей среды растения используют небольшую группу белков, которые действуют как проводники для управления их сложной реакцией на стресс. Результаты, подробно описанные в выпуске журнала Science от 4 ноября, могут помочь в разработке новых технологий для оптимизации использования воды растениями.
«Реакция растения на стрессор - очень сложный процесс на молекулярном уровне, в который вовлечены сотни генов», - говорит старший автор Джозеф Экер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, профессор и директор Лаборатории геномного анализа Солка. и председатель Международного совета Солка по генетике. «Мы обнаружили ключевые проводники в этой молекулярной симфонии, которые могут помочь растениям лучше переносить стрессовые факторы, такие как засуха, перед лицом изменения климата. Если вы можете контролировать один из этих проводников, вы контролируете все гены, которые следуют за ним. вести."
От того, насколько хорошо растение реагирует на стресс, зависит, выживет ли оно и будет ли процветать или поддастся угрозе. Так же, как у людей есть гормоны, такие как адреналин, которые помогают нам справляться с угрозами, у растений есть несколько ключевых гормонов, которые позволяют им реагировать на стрессовые факторы в окружающей среде. Одним из них является абсцизовая кислота (АБК), растительный гормон, участвующий в развитии семян и оптимизации использования воды.
При недостатке воды или высокой солености корни и листья производят АБК. Хотя считается, что этот гормон влияет на реакцию растений на стресс, ученые очень мало знают о том, что происходит во всем мире после его высвобождения.
«Всего несколько десятков регуляторных белков определяют экспрессию сотен, если не тысяч генов», - говорит Лян Сонг, научный сотрудник Лаборатории биологии растений Солка и первый автор статьи. «Понимая, что представляют собой эти главные регуляторы и как они работают, мы можем лучше понять и, возможно, модулировать реакцию на стресс».
В своем исследовании команда Солка отслеживала в режиме реального времени изменения в генетической активности растений в ответ на ABA и определила несколько основных белков, которые управляют реакцией на широкий спектр внешних стрессоров, включая засуху. Используя метод, который картирует, где эти регуляторные белки связываются с ДНК, команда определила ключевые факторы, которые координируют экспрессию генов, обеспечивая эффективный клеточный ответ на изменяющиеся условия.
Команда Солка сосредоточилась на регуляторных белках-кандидатах, которые, как известно, реагируют на ABA. Они подвергли 3-дневные сеянцы эталонного растения Arabidopsis thaliana воздействию абсцизовой кислоты и проверили экспрессию генов через определенные промежутки времени в течение 60 часов.
В процессе они собрали 122 набора данных, включающих 33 602 гена, 3 061 из которых экспрессировались на разных уровнях по крайней мере в один момент времени. Анализ данных выявил иерархию контроля, при этом некоторые регуляторные белки считаются главными участниками экспрессии генов. Интересно, что моментальный снимок паттернов связывания белков в конкретный момент времени может в значительной степени объяснить экспрессию генов в течение большого промежутка времени. Вместе эти динамики предполагают скоординированную реакцию всего генома на триггеры окружающей среды.
«В этом сетевом представлении мы видим, что некоторые из этих компонентов нацелены на одни и те же основные регуляторные белки, что предполагает точный и скоординированный генетический контроль», - говорит Сонг.«Это может быть важно для сельскохозяйственных целей, потому что регулирование одного гена может, в свою очередь, стимулировать или подавлять целый набор других генов, что позволяет проводить комплексные вмешательства».
Результаты исследования растительного гормона этилена, проведенного лабораторией Экера в 2013 году, позволяют предположить, что такой скоординированный и иерархический контроль генетической активности может быть характерен для цветковых растений.