При понижении температуры растения не могут укутаться. Застрявшие снаружи, незащищенные растения вместо этого претерпевают ряд биохимических изменений, которые защищают клетки от повреждений. Ученые описали эти изменения и определили некоторые контролирующие их гены, но неясно, как все эти процессы работают вместе. Не имея такого глобального взгляда, селекционеры изо всех сил пытались создать устойчивые к холоду культуры.
Недавнее исследование, проведенное Университетом Иллинойса и Техническим университетом Гебзе в Турции, предлагает новый взгляд на холодовой стресс у растений, который выходит за рамки традиционного подхода, заключающегося в одновременном изучении одного гена, белка или биохимического пути.. Вместо этого он одновременно исследует весь набор генов, метаболитов, путей и реакций, связанных с реакцией на холодовой стресс.
Шансы на то, что селекционеры смогут успешно модифицировать один ген и добиться большей устойчивости к холоду, невелики. Нам необходимо понять всю систему: не только интересующий ген, но и все родственные гены, влияющие на определенные пути и другие биологические процессы. деятельность, связанная с реакцией растения на стресс», - говорит Густаво Каэтано-Анольес, профессор кафедры растениеводства Университета I и автор исследования «Границы биоинженерии и биотехнологии». «Наше исследование идентифицирует важные метаболиты, связанные с важными признаками, и является шагом вперед в методах метаболического профилирования».
Секвенирование генов следующего поколения позволило создать списки всех генов и белков, экспрессируемых в данный момент в организме, что составляет миллионы точек данных, но все еще не было способа понять, что они все представляют собой. или как они взаимодействовали.
Двигаясь вперед, исследовательская группа изучила точки данных, собранные с Arabidopsis thaliana, небольшого растения, обычно изучаемого для понимания генетических и физиологических процессов, в четырех временных точках во время реакции на холодовой стресс. Используя базу данных, которая аннотирует гены и генные продукты, команда смогла построить сеть генов, метаболитов и путей, идентифицируя все процессы, связанные с реакцией растения на холодовой стресс.
Наш анализ выявил связанные со стрессом метаболиты во многих путях, которые, как мы не думали, обязательно реагируют на холодовой стресс, включая аминокислотные, углеводные, липидные, гормональные, энергетические, фотосинтез и сигнальные пути. Это показывает, как важно рассматривать реакцию на стресс на системном уровне», - говорит Каэтано-Анольес. «Мы обнаружили, что холодовой стресс сначала вызывает всплеск энергии, за которым следует отвлечение углерода на метаболизм аминокислот и липидов».
Ибрагим Коч, исследователь из Технического университета Гебзе и соавтор исследования, добавляет: «В частности, этанол был важным метаболитом, участвующим в управлении клеточной энергией».
Открытие указывает на возможный путь вперед для селекционеров растений и инженеров-биологов, хотя необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, можно ли модифицировать задействованные пути одновременно. В частности, методология позволит ученым использовать инструменты системной биологии для изучения метаболических реакций, которые заполняют важные пути, и коллективно разрабатывать ферменты для улучшения реакции растений на воздействие окружающей среды.
Важно отметить, что исследование дает метод изучения метаболических процессов практически в любом организме. Каэтано-Анольес предполагает, что этот метод можно использовать, например, для изучения устойчивости сорняков к гербицидам или устойчивости млекопитающих к антибиотикам.
«Стратегии использования сложных сетей, которые систематически связывают активность генов с соответствующими биологическими функциями, теперь открывают замечательные возможности для генной инженерии и синтетической биологии», - заключает Каэтано-Анольес.