Несмотря на то, насколько важны растения для жизни на Земле, мало что известно о том, как части растительных клеток управляют ростом и озеленением. Создав растения-мутанты, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде открыли путь клеточной коммуникации, который ученые искали на протяжении десятилетий.
И растения, и люди имеют специализированные светочувствительные белки. У людей эти белки находятся в сетчатке, что позволяет нам видеть. У растений они называются фитохромами и находятся в основном в ядре, которое служит главным регулятором активности клетки.
Процесс фотосинтеза, который превращает углекислый газ в сахар и способствует росту растений, начинается, когда свет попадает на фитохромы в ядре. Затем ядро должно отправить команду суборгану, называемому пластидой, трансформироваться в хлоропласт, который производит зеленый пигмент хлорофилл.
«Ядро похоже на федеральное правительство клетки, в то время как суборган, называемый пластидой, функционирует больше как государство», - сказал Мэн Чен из UCR, адъюнкт-профессор клеточной биологии, чья лаборатория является одной из немногих в мире. мир сосредоточился на фитохромных коммуникациях. «До сих пор мы не знали, как ядро посылает пластидам команду «позеленеть», приказывая им активировать свои гены фотосинтеза».
То, как команда Чена пришла к ответу, подробно описано в двух новых статьях, опубликованных сегодня в журнале Nature Communications.
Исторически сложилось так, что часть проблемы заключалась в том, чтобы определить, какой из 25 000 ядерных генов отвечает за регуляцию процесса озеленения клетки. Чтобы найти регуляторы, Чен и его команда пришли к выводу, что одни и те же гены должны контролировать не только озеленение растений, но и другие процессы, такие как рост.
«Регулятор, который мы искали, будет контролировать оба качества, высоту и цвет», - сказал Чен.
Они взяли небольшое цветущее растение и химически создали его версии, неспособные производить хлоропласты даже при воздействии света. Затем они искали мутантов, которые были и альбиносами, и высокими. Как назло, команда Чена обнаружила, что они создали несколько мутантов с обоими качествами.
Сравнение ДНК дикого растения с ДНК мутировавшего растения позволило команде идентифицировать два гена, ответственных за регуляцию озеленения.
«Растения, не имеющие ни одного из этих генов, не реагируют на свет, становятся высокими и проростками-альбиносами», - говорит соавтор исследования Чан Юл Ю, молекулярный биолог UCR и первый автор обеих статей.
Понимание основного контроля над развитием хлоропластов может иметь серьезные последствия для новых технологий, повышающих урожайность и помогающих растениям справиться с изменением климата. Но польза от этого открытия не ограничивается растениями. Лаборатория Чена финансируется Национальным институтом здравоохранения из-за последствий этой работы для исследования рака.
Митохондрии, генераторы энергии клеток растений и животных, играют роль в развитии рака, потому что они вовлечены в запрограммированную гибель клеток. Связь между ядром клетки и митохондрией аналогична связи между ядром растительной клетки и хлоропластами.
«Раскрытие пути взаимодействия ядра и хлоропласта у растений может дать новое понимание экспрессии генов в клетках человека и ее неправильной регуляции при раке», - сказал Чен..
Дополнительными членами исследовательской группы были Элиза Пасорек из UCR, Хе Ван и Грегор Блаха, а также Эмили Ян, Фэй-Вей Ли, Кэтлин Прайер и Тай-пин Сун с факультета биологии Университета Дьюка, Цзюнь Цао и Детлеф Вайгель из Института биологии развития им. Макса Планка, а также Цзянсинь Лю и Пей Чжоу из отдела биохимии Медицинского центра Университета Дьюка.