Открытие древнего механизма роста и развития у наземных растений

от

Исследователи из отдела биохимии Индийского института науки (IISc) обнаружили давно искомый механизм, который примитивные наземные растения, такие как мохообразные (включая мхи и печёночные мхи), используют для регуляции роста растений. Этот механизм сохранился у более эволюционно молодых цветковых растений.

Опубликовано в Nature Chemical Biology

Исследование посвящено неканонической регуляции белка DELLA — основного регулятора роста, который подавляет деление клеток у эмбриофитов (наземных растений).

«DELLA подобен ограничителю скорости, но если у вас этот ограничитель постоянно включён, вы не сможете двигаться», — объясняет Дебабрата Лаха, доцент кафедры биохимии и автор исследования.

Поэтому крайне важно разрушить белок DELLA, чтобы стимулировать рост. У цветковых растений DELLA разрушается, когда растительный гормон гиббереллиновая кислота (GA) связывается с его рецептором GID1, что приводит к образованию комплекса GA-GID1-DELLA. Затем репрессор DELLA помечается цепью молекул убиквитина и разрушается с помощью механизма 26S протеасомы.

Интересно, что у мохообразных, которые первыми колонизировали сушу около полумиллиарда лет назад, отсутствует рецептор GID1, хотя они производят растительный гормон GA. Это поднимает вопрос о том, как рост и развитие регулировались у этих ранних наземных растений.

Используя маршанцию многообразную (Marchantia polymorpha) в качестве модельной системы

Используя маршанцию многообразную (Marchantia polymorpha) в качестве модельной системы, исследователи обнаружили, что эти примитивные растения задействуют специальный фермент под названием MpVIH, который производит клеточный мессенджер инозитол пирофосфат (InsP₈) для разрушения DELLA без участия гиббереллиновой кислоты.

Роль VIH была подтверждена, когда исследователи отключили соответствующий ген с помощью системы CRISPR-Cas9. Растения без функциональных ферментов VIH имели серьёзные дефекты развития и морфологические дефекты, такие как компактные талломы, нарушенный радиальный рост и отсутствие чашечки с геммами.

Эти дефекты были устранены, когда геном растения был модифицирован для производства только одного конца (N-концевого) фермента VIH. Используя передовую хроматографию, команда обнаружила, что N-конец содержит домен киназы (фермента), который катализирует производство InsP₈.

Исследователи определили DELLA как одну из клеточных мишеней киназы VIH. Более того, они наблюдали, что растения с дефицитом MpVIH имитируют фенотип растений M. polymorpha, сверхэкспрессирующих DELLA.

«Мы были взволнованы, узнав на этом этапе, увеличивается ли стабильность или активность DELLA у растений с дефектом MpVIH», — говорит Приянши Рана, первый автор и аспирант в исследовательской группе Лахи.

В соответствии со своей гипотезой исследователи обнаружили, что подавление DELLA в значительной степени восстанавливает дефектные фенотипы роста и развития у растений-мутантов MpVIH. Эти результаты позволяют предположить, что киназа VIH негативно регулирует DELLA, способствуя росту и развитию растений.

Комбинируя генетические, биохимические и биофизические подходы, исследователи осветили механизм, лежащий в основе регуляции DELLA с помощью инозитол пирофосфата у этого вида маршанции. В частности, InsP₈, продуцируемый MpVIH, связывается с MpDELLA, способствуя полиубиквитинированию и последующей протеасомной деградации белка-репрессора.

Исследования белка DELLA восходят к Зелёной революции

Исследования белка DELLA восходят к Зелёной революции, когда учёные бессознательно использовали его потенциал для производства высокоурожайных полукарликовых сортов. Хотя в то время детали механизма его функционирования были неизвестны, современные технологии теперь позволяют учёным манипулировать этой функцией белка, используя технологию редактирования генов для эффективного повышения урожайности.

«Поскольку наше население растёт, а сельскохозяйственные угодья сокращаются, повышение производительности сельскохозяйственных культур становится важным», — говорит Лаха.

«Учитывая, что регуляция деградации DELLA с помощью InsP₈, возможно, сохранилась у всех эмбриофитов, это открытие может открыть новые возможности для создания сельскохозяйственных культур следующего поколения с улучшенной урожайностью».

Изучение ранних наземных растений также даёт нам представление об их эволюции за последние 500 миллионов лет. Например, сайты связывания InsP₈ всё ещё существуют у современных цветковых растений, даже несмотря на то, что эти растения дестабилизируют DELLA через гиббереллин-зависимый путь. Такие идеи могут помочь нам понять, как клеточные сигнальные пути эволюционировали с течением времени.

Предоставлено Индийским институтом науки

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте