Как будет выглядеть мир, потеплевший на три градуса? Как поведут себя растения в более экстремальных погодных условиях? Испытывая стресс или повреждения из различных источников, растения используют связь между хлоропластами и ядром, чтобы регулировать экспрессию генов и помогать им справляться.
Теперь исследователи Института Солка обнаружили, что GUN1 - ген, который интегрирует многочисленные ретроградные сигнальные пути от хлоропласта к ядру - также играет важную роль в том, как белки образуются в поврежденных хлоропластах, что дает новое представление о том, как растения реагируют на стресс. Статья была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 15 апреля 2019 года и может помочь биологам вывести растения, способные лучше противостоять стрессовым факторам окружающей среды.
Изменение климата может сильно повлиять на нашу пищевую систему. Когда растения испытывают стресс, например, во время засухи, они дают более низкие урожаи. Если мы поймем, как растения реагируют на стресс, то, возможно, мы сможем разработать способ чтобы повысить их сопротивляемость и поддерживать производство продуктов питания на высоком уровне», - говорит профессор Солка Джоан Чори, директор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений и старший автор статьи.
В растительных клетках структуры, называемые хлоропластами, преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию (фотосинтез). В норме ядро клетки передает информацию хлоропластам для поддержания постоянного производства энергии. Однако в стрессовой среде хлоропласты посылают сигнал тревоги обратно в ядро клетки, используя ретроградную передачу сигналов (создавая петлю обратной связи связи между хлоропластом и ядром). Этот SOS вызывает реакцию, которая помогает регулировать экспрессию генов в хлоропластах и ядре, чтобы оптимизировать производство энергии из солнечного света.
Ранее лаборатория Chory идентифицировала группу генов, включая GUN1, которые влияют на экспрессию других генов в клетке, когда растение испытывает стресс. GUN1 накапливается в стрессовых условиях, но точную молекулярную функцию GUN1 до сих пор было трудно расшифровать.
«Растения часто испытывают стрессовые факторы окружающей среды, поэтому должен существовать путь связи между хлоропластом и ядром, который помогает растению знать, когда нужно сохранять энергию при возникновении травмы», - говорит Сяобо Чжао, первый автор и научный сотрудник лаборатории Чори.. «Оказывается, GUN1 играет в этом большую роль».
Чтобы понять, как GUN1 регулирует связь между хлоропластами и ядром, ученые наблюдали за растениями с функциональным и нефункциональным GUN1 при фармакологическом лечении, которое могло повредить хлоропласты. У растений без GUN1 экспрессия генов изменилась, как и редактирование РНК в хлоропластах. (Редактирование РНК - это модификация РНК, которая изменяет идентичность нуклеотидов, так что информация в зрелой РНК отличается от информации, определенной в геноме, изменяя инструкции по созданию белков.) Некоторые области РНК подвергались большему редактированию и другим местам. было меньше редактирования, что позволяет предположить, что GUN1 играет роль в регулировании редактирования РНК хлоропластов.
После дальнейшего анализа команда неожиданно обнаружила, что GUN1 сотрудничает с другим белком, MORF2 (неотъемлемым компонентом комплекса редактирования РНК растений), чтобы влиять на эффективность редактирования РНК во время связи между хлоропластом и ядром в поврежденных хлоропластах.. Повышенная активность MORF2 привела к широко распространенным изменениям редактирования, а также к дефектам развития хлоропластов и листьев даже в нормальных условиях роста (см. изображение). В периоды стресса и травм перепроизводство MORF2 также приводило к нарушению связи между хлоропластом и ядром.
«В совокупности эти результаты указывают на возможную связь между связью между хлоропластами и ядром и редактированием РНК хлоропластов, которые являются важными регуляторными функциями цветковых растений, особенно во время стресса», - говорит Чори, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. заведующая кафедрой биологии растений Говарда Х. и Марьям Р. Ньюман.
Далее исследователи планируют изучить механизм того, как изменения в редактировании РНК в хлоропластах активируют сигналы, которые могут быть переданы ядру, и как эти модификации изменяют способность растения реагировать на стресс.