Семена растений могут показаться сторонним наблюдателям не впечатляющими, но они обладают свойствами, которые не что иное, как сверхспособности. В сухом состоянии они могут хранить свою энергию годами, а затем внезапно высвобождать ее для прорастания, когда условия окружающей среды благоприятны. Одним из ярких примеров является «суперцветение» в национальном парке «Долина Смерти», когда семена, десятилетиями переживавшие сухую и жаркую пустыню, внезапно прорастают во время дождя, а несколько месяцев спустя в пустыне начинается редкое и эффектное цветение. Семена сохраняют полностью сформировавшийся зародыш, который продолжает расти только тогда, когда для этого есть подходящие условия. Это может произойти лишь годы, а в более крайних случаях даже столетия спустя.
Прорастание семян контролируется несколькими растительными гормонами, которые интенсивно исследуются. Однако мало что было известно о процессах, которые необходимы для того, чтобы гормоны функционировали. Как энергия в семени становится доступной? Как можно рано и эффективно запустить энергетический обмен? Международная группа исследователей изучает эти вопросы.
Используя новый тип флуоресцентных биосенсоров, исследователи наблюдали в живых клетках семян как энергетический метаболизм, так и так называемый окислительно-восстановительный метаболизм, который зависит от серы. Исследователи обнаружили, что при контакте семян с водой энергетический обмен устанавливался в считанные минуты, а «электростанции» растительных клеток, известные как митохондрии, активировали дыхание. Исследователи также выяснили, какие молекулярные переключатели активируются для эффективного высвобождения энергии, при этом центральную роль играют так называемые тиол-окислительно-восстановительные переключатели.
«Изучая самые ранние процессы контроля прорастания, мы можем лучше понять механизмы, управляющие прорастанием семян», - говорит профессор Маркус Шварцлендер из Университета Мюнстера (Германия), который руководил исследованием. «В будущем мы могли бы подумать о том, как такие переключатели можно использовать в биотехнологии сельскохозяйственных культур». Результаты исследования могут быть актуальны в сельском хозяйстве, когда семена должны как можно дольше сохранять всхожесть, с одной стороны, но и прорастать синхронно и с минимальными потерями, с другой стороны. Исследование было опубликовано в журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Предыстория и метод
Чтобы иметь возможность наблюдать за деятельностью, происходящей в энергетическом метаболизме, исследователи визуализировали под микроскопом аденозинтрифосфат (АТФ), общую валюту энергии в клетке, и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН)., энергия электрона, в митохондриях. Они сравнили семена кресс-салата: как сухие семена, так и семена, «напитавшиеся» водой.
Чтобы выяснить, важны ли окислительно-восстановительные переключатели для запуска прорастания, исследователи деактивировали определенные белки с помощью генетических методов, а затем сравнили реакцию модифицированных семян с реакцией немодифицированных. Исследователи позволили семенам искусственно состариться в лаборатории и увидели, что семена прорастают гораздо менее активно, если им не хватает соответствующих белков.
Следующим шагом исследователей стал так называемый окислительно-восстановительный протеомный анализ, то есть они полностью исследовали соответствующие окислительно-восстановительные белки с использованием биохимических методов. Для этого они выделили активные митохондрии и заморозили их, чтобы иметь возможность изучать это состояние непосредственно там, где происходил процесс. Затем исследователи использовали методы масс-спектрометрии, чтобы идентифицировать несколько так называемых цистеиновых пептидов, которые важны для эффективного использования ресурсов в энергетическом метаболизме.
Этот процесс можно сравнить с системой управления дорожным движением большого города. Перед тем, как начнется час пик, то есть прорастание, которое выбрасывает большое количество метаболитов «на дорогу», светофор и системы маршрутизации должны быть включенным утром; и здесь это делается с помощью тиоловых окислительно-восстановительных переключателей», - объясняет ведущий автор доктор Томас Нитцель, который провел большую часть экспериментов в рамках своей докторской диссертации в Институте растениеводства и сохранения ресурсов в Боннский университет, а затем постдокторант в Институте биологии и биотехнологии растений Мюнстерского университета.