Понимание того, как растения реагируют на стрессовые условия окружающей среды, имеет решающее значение для разработки эффективных стратегий защиты важных сельскохозяйственных культур от изменения климата. Новое исследование, проведенное под руководством Чжиюн Ван, Шоулинг, Сюй и Ян Би из Карнеги, раскрывает важный процесс, с помощью которого растения переключаются между усиленной и ослабленной реакцией на стресс. Их работа опубликована Nature Communications.
Чтобы выжить в изменяющейся окружающей среде, растениям приходится выбирать между различными стратегиями реагирования, основанными как на внешних факторах окружающей среды, так и на внутренних потребностях в питании и энергии. Например, растение может либо замедлить, либо ускорить свой жизненный цикл, в зависимости от наличия хранимых сахаров, составляющих его запас энергии.
«Мы знаем, что растения способны модулировать свою реакцию на стрессы окружающей среды в зависимости от наличия питательных веществ», – пояснил Ван. «Но молекулярные механизмы, с помощью которых они достигают этой тонкой настройки, плохо изучены».
В течение многих лет биологи растений Карнеги создавали настоящую сокровищницу исследований системы, с помощью которой растения воспринимают доступные питательные вещества. Это молекула сахара, которая прикрепляется к белкам и изменяет их активность. Эта сахарная метка, названная O-связанным N-ацетилглюкозамином, или O-GlcNAc, связана с изменениями экспрессии генов, клеточного роста и дифференцировки клеток как у животных, так и у растений.
Функции O-GlcNAc хорошо изучены в контексте заболеваний человека, таких как ожирение, рак и нейродегенерация, но гораздо менее понятны для растений. В 2017 году команда под руководством Карнеги впервые определила сотни растительных белков, модифицированных O-GlcNAc, что обеспечило основу для полного анализа контролируемой им сети считывания питательных веществ.
В этом последнем отчете исследователи из лаборатории Вана – ведущий автор Би, Чжипинг Денг, Даша Сэвидж, Томас Хартвиг и Сунита Патил – и лаборатории Сю – Рубен Шреста и Су Хён Хон – обнаружили, что один из белков, модифицированных O- Тег GlcNAc обеспечивает клеточную физиологическую связь между доступностью сахара и реакцией на стресс . Это эволюционно консервативный белок, называемый индуктором апоптотической конденсации хроматина в ядре, или ацинус, который, как известно у млекопитающих, играет многочисленные роли в хранении и обработке генетического материала клетки .
С помощью комплексного набора генетических, геномных и протеомных экспериментов команда Карнеги продемонстрировала, что у растений Acinus образует аналогичный белковый комплекс, как и его аналог у млекопитающих, и играет уникальную роль в регулировании стрессовых реакций и ключевых переходов в развитии, таких как прорастание семян и цветение. . Работа также демонстрирует, что сахарная модификация белка Acinus позволяет доступным питательным веществам регулировать чувствительность растения к стрессам окружающей среды и контролировать прорастание семян и время цветения.
«Наше исследование показывает, как растения используют механизмы определения сахара для точной настройки реакции на стресс», – пояснил Сюй. «Наши результаты показывают, что растения выбирают различные стратегии реакции на стресс в зависимости от наличия питательных веществ, чтобы максимально выжить в различных стрессовых условиях».
Заглядывая вперед, исследователи хотят изучить больше белков, которые помечены O-GlcNAc, и лучше понять, как эту важную систему можно использовать для борьбы с голодом.
«Понимание того, как растения принимают клеточные решения путем интеграции экологической и внутренней информации, важно для повышения устойчивости и продуктивности растений в условиях изменяющегося климата», – заключил Ван. «Учитывая, что многие части молекулярной цепи сохраняются в клетках растений и человека, результаты наших исследований могут привести к улучшению не только сельского хозяйства и экосистем, но и здоровья человека».