Ученые-растения из университетов Кембриджа и Бордо обнаружили ген, который, как они надеются, можно использовать для расширения узкого места в транспортировке питательных веществ и потенциального повышения урожайности.
Научные работники по всему миру работают над рядом различных стратегий устойчивого повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Повышение эффективности того, как растения переносят сахара, белки и другие органические питательные вещества между различными частями растения, является одним из подходов, которые могут способствовать следующей зеленой революции.
Понимание факторов, влияющих на местный и дальний транспорт внутри растения, может позволить биотехнологам выращивать более продуктивные культуры в будущем. В конечном счете, может оказаться возможным направлять органические питательные вещества к определенным частям собираемого растения (семенам, плодам и клубням для хранения).
Исследовательская группа профессора Юрье Хелариутты из лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета (SLCU) и команда доктора Эммануэль Байер из Университета Бордо/CNRS приблизили эту цель на шаг, открыв модулятор выгрузки флоэмы (PLM), новый ген это влияет на перенос питательных веществ, изменяя каналы, соединяющие соседние растительные клетки, называемые плазмодесмами. Эти выстланные мембраной наноканалы пересекают барьер клеточной стенки, чтобы связать растительные клетки вместе и обеспечить перенос основных веществ (см. примечания).
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Plants, показывает, что мутантные растения Arabidopsis thaliana, лишенные гена PLM, выделяют больше веществ из флоэмы (специализированной ткани для переноса на большие расстояния) на кончиках своих корней. Используя флуоресцентный белок в качестве заменителя макромолекул, ученые смогли увидеть, что ген PLM оказывает явное контролирующее влияние на количество разгружаемой флоэмы. Чтобы выяснить, как ген делает это, они посмотрели, что происходит на разных клеточных поверхностях в корнях проростков растений.
Ведущий автор, доктор Давэй Ян из Кембриджской лаборатории Сейнсбери, объясняет: «Мы обнаружили, что мутация PLM устраняет узкое место в транспортировке, которое ранее уменьшало перемещение питательных веществ наружу из сосудистой системы в быстро растущие ткани в корни.
PLM специфически действует на границе между перициклом полюса флоэмы (PPP) и клетками энтодермы, границе, важной для радиального движения веществ после разгрузки. Удаление активности гена PLM может позволить растениям быстрее и эффективнее транспортировать питательные вещества туда, где они необходимы».
В результате повышенной разгрузки корни у мутантных растений росли быстрее и длиннее.
Дальнейшие молекулярные и генетические исследования также показали, что PLM участвует в биосинтезе сфинголипидов, которые представляют собой класс липидов, связанных с развитием растений и реакцией на окружающую среду. Хотя команда доктора Байера ранее показала, что мембраны плазмодесм обогащены сфинголипидами, это первое исследование, связывающее сфинголипиды с функцией плазмодесм.
Следующим шагом было определить, как PLM влияет на межклеточную проводимость. Команда проверила, влияет ли PLM на плотность плазмодесмы - это не так. Команда также подтвердила, что PLM не влияет на накопление каллозы, которая является единственным хорошо известным регулятором проницаемости плазмодесм.
Второй автор и аспирант группы Helariutta, Андреа Патерлини, поехала во Францию, чтобы поработать с доктором Байером, чтобы более внимательно изучить, влияет ли PLM на структуру плазмодесм. Они использовали электронную томографию для создания трехмерной карты каналов в нанометровом масштабе.
Патерлини говорит: «Это позволило нам обнаружить мелкие изменения в архитектуре плазмодесмы. Мы обнаружили равные пропорции простых и разветвленных плазмодесм как у мутантных растений plm, так и у растений дикого типа. Однако растения без PLM имели только плазмодесмы типа I (см. примечания), а не два обычно встречающихся типа.
Предыдущие модели предполагали, что размер цитоплазматического рукава (расстояние между эндоплазматическим ретикулумом и плазматической мембраной в плазмодесмах) будет положительно коррелировать с транспортной способностью. Результаты нашей статьи бросают вызов этому и показывают, что плазмодесмы типа I, те, у кого очень узкий цитоплазматический рукав, на самом деле являются более проводящими, чем плазмодесмы типа II, которые имеют открытый цитоплазматический рукав».
Профессор Хелариутта говорит: «Корреляция между функцией гена (биосинтезом липидов) и изменением ультраструктуры плазмодесмы, вероятно, является результатом дефекта в организации связей, отделяющих плазматическую мембрану от эндоплазматического ретикулума. внутри плазмодесм: это приводит к тому, что у большинства плазмодесм отсутствуют видимые цитоплазматические рукава у растений с мутировавшим геном PLM.
«Есть еще много новых вопросов, на которые нужно ответить для будущих исследований, например, как и почему плазмодесмы, у которых отсутствуют цитоплазматические рукава, имеют более высокие скорости перемещения и как метаболизм сфинголипидов механистически связан с функцией PLM.
Однако это исследование продвинуло наше понимание факторов, регулирующих перенос питательных веществ растениями. Существует острая необходимость в выращивании культур с повышенной эффективностью питательных веществ, как для сокращения использования удобрений, так и для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Возможно, со временем мы сможем использовать эту информацию о переносе питательных веществ для более эффективного распределения питательных веществ между различными органами и направления питательных веществ от стеблей и листьев к плодам и запасающим органам».
Фон
Plasmodesmata: транспортные каналы между клетками
Plasmodesmata представляют собой выстланные мембраной наноразмерные каналы, которые пересекают барьер клеточной стенки, чтобы связать растительные клетки вместе, и через которые могут проходить необходимые вещества. Перенос органических питательных веществ и сигналов между клетками через плазмодесмы играет важную роль в росте и развитии растений, а также в устойчивости к болезням и стрессам.
Структура
Первичные плазмодесмы, образующиеся в новых клетках, представляют собой узкие одноканальные структуры, в то время как вторичные плазмодесмы, образующиеся в более старых тканях, имеют тенденцию быть более широкими разветвленными структурами. Однако плазмодесмы - это не просто отверстия - это динамические структуры, которые контролируют, какие молекулы могут или не могут проходить между клетками на основе принципов исключения размера. Они выстланы плазматической мембраной (ПМ) и содержат трубчатую нить мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭР). Промежуток между этими двумя мембранами называется цитоплазматическим рукавом. Предыдущие модели постулировали, что существует прямая связь между расстоянием между ER и PM и проницаемостью, причем большие зазоры обладают большей проводимостью.
Типы
Новая система классификации для описания плазмодесм, основанная на расстоянии между ER и PM, была предложена Nicolas et al 2017. Плазмодесмы типа I имеют настолько близко расположенные мембраны, что между ними не видно цитоплазматического пространства (узкие рукава). И наоборот, плазмодесмы типа II имеют четкую щель ER-PM (с открытыми рукавами). Было показано, что, несмотря на отсутствие рукава (рассматриваемого как транспортный путь в традиционных моделях), тип I пропускает молекулы. Это последнее исследование не только подтверждает это, но также показывает, что плазмодесмы типа I обладают большей проводимостью, чем тип II.