Исследователи из Университета Тохоку обнаружили, что растения активируют аутофагию в клетках своих листьев, чтобы получить аминокислоты, которые используются для выживания в условиях «голода» при нехватке энергии. Полученные данные показывают, что утилизацией аминокислот в растениях можно управлять, манипулируя аутофагией.
Растения используют солнечную энергию для роста посредством процесса, известного как фотосинтез. Реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах, представляющих собой внутриклеточные компартменты в зеленых органах, главным образом в листьях. В природе растения не могут получать достаточно солнечной энергии, когда соседние растения затеняют их от солнца. На сельскохозяйственных полях недостаточное количество солнечного света из-за необычной погоды или стихийных бедствий, таких как наводнения, сильно замедляет приобретение энергии культурными растениями. Поэтому многих исследователей интересует, как растения справляются со своим «голодом» из-за нехватки солнечной энергии.
Drs. Масанори Изуми и Хироюки Исида из Университета Тохоку ранее продемонстрировали, что хлоропласты растений активно перевариваются в процессе аутофагии во время энергетического голодания. Аутофагия - это процесс «самопоедания» части внутриклеточных белков в клетках эукариот, таких как дрожжи, люди и растения. Исследовательская группа сосредоточилась на точной роли аутофагии, нацеленной на хлоропласты, в стратегии выживания растений в условиях низкоэнергетического стресса. «Мы предположили, что аутофагия, связанная с хлоропластами, тесно связана с метаболизмом аминокислот у растений, испытывающих недостаток энергии», - сказал Изуми.
Согласно исследованию, когда кресс-салат, известный как Arabidopsis thaliana, подвергается голодному стрессу, поскольку растения помещаются в полную темноту, они могут продолжать расти в течение нескольких дней; быстро активируется аутофагическое переваривание белков хлоропластов и повышается уровень аминокислот. Эта реакция на ранней стадии голодного стресса подавлена у мутантных растений, лишенных механизма аутофагии.
Группа также обнаружила, что уровни аминокислот с разветвленной цепью (BCAA: валин, лейцин, изолейцин) особенно увеличиваются в арабидопсисе дикого типа; и наоборот, увеличение BCAA сильно нарушено у мутантов аутофагии. «Мутанты, у которых отсутствуют ферменты, необходимые для повторного использования BCAA в качестве источника энергии, также продемонстрировали пониженную толерантность к голодному стрессу - мы ожидаем, что пути аутофагии и повторного использования BCAA в растениях взаимодействуют для преодоления такого стресса», - объяснил Изуми.
Рециркуляция аминокислот важна для продуктивности сельскохозяйственных культур, поскольку аминокислоты, полученные в результате распада белка, мобилизуются и сохраняются в семенах зерновых культур перед сбором урожая. Текущие результаты показывают возможность того, что манипулирование аутофагией позволяет растениям модифицировать использование ими аминокислот. Исследователи полагают, что дальнейшее выяснение механизмов регуляции аутофагии хлоропластов может открыть новые возможности для улучшения качества или продуктивности при выращивании зерновых.