Как растенията реагират на водна диета

Лист номер шест от моделното растение Arabidopsis thaliana беше първият, който изследва как растенията се адаптират към недостига на вода на молекулярно ниво. С изненадващи резултати.

Листата са един от най-важните органи в растението. В тях се осъществява фотосинтез, като се използва слънчева светлина за превръщане на въглеродния диоксид в захар и в същото време освобождаването на кислород като страничен продукт. Така листата изграждат биомасата и по този начин поддържат растежа на корените и производството на семена.

Изменението на климата заплашва тези органи и по този начин растенията: прогнозират се по-високи температури и по-дълги сухи периоди, което може сериозно да ограничи функцията на листата. Приложено за култивирани растения, това означава: По-малко биомаса, по-ниски реколти, по-малко храна за хората и животните.

Измерен молекулярен отговор на водна диета

Като част от проекта на ЕС АГРОН-ОМИКС, изследователи, работещи с растителен биотехнолог Вилхелм Груйссем, искаха да знаят как растението, в случая на таланов крес (Arabidopsis thaliana), реагира на «водна диета» по време на своето развитие, както самостоятелно външна експресия, както и на молекулярно ниво.

За да направят това, по време на развитието на шестия лист, който растението формира, изследователите определят количеството протеини и свързаните с тях молекули на РНК пратеника и ги сравняват с данни от растения, които са получили достатъчно вода. Лист номер шест е първият „възрастен“ лист на талановия кресон.

Изследователите събирали този лист в четири последователни етапа на развитие сутрин и вечер. Те използваха данните за създаване на профили, които могат да сравняват помежду си.

Силни колебания в пратената РНК

Отвън липсата на вода означава, че растението, както се подозира, расте по-бавно и образува по-малки листа. Но тя удължи фазата си на растеж, за да компенсира подраста, причинен от неволната водна диета.

Поглед към молекулярната вътрешна работа на лист номер шест изненада Вилхелм Груисем и Катя Беренфалер от групата за биотехнологии на растенията ETH. Количеството на измерваните протеини почти не се е променило през деня, нито в растенията, които са получили достатъчно вода, нито в тези, които са израснали на водна диета. От повече от 1700 измерени протеина само два показаха по-големи разлики в количеството през деня.

От друга страна, молекулите на РНК (mRNA), т.е. копията на ген, които са инструкциите за изграждане на протеините, са различни. При растения, които растат при нормални условия, количествата около половината от над 25 000 измерени молекули на иРНК се променят значително през деня, като някои са по-чести вечер, а другите сутрин. Следователно тази разлика в количеството вечер и сутрин не корелира с тази на измерените протеини. „Този факт беше изненада за нас“, казва Катя Беренфалер.

Растенията, страдащи от липса на вода, обаче не си позволяват "лукса" на променливите количества на иРНК, особено в по-късните етапи на растеж.

По време на цялото развитие на лист номер шест от мъничко до напълно израснало листо обаче промените в количеството протеини бяха, с малки изключения, доста тясно свързани с количеството на молекулите на иРНК, както в случай на липса на вода, така и на достатъчно количество . „Измерихме добра корелация през цялото развитие, но не и през дневния цикъл,“ казва Вилхелм Груйссем. Така че изглежда, че е необходима по-дългосрочна промяна в нивата на иРНК, за да се промени нещо в нивата на протеина.

Питай защо

„Но защо нивата на иРНК се променят в течение на деня, ако има малко влияние върху нивата на протеините?“, Пита Катя Беренфалър, първият автор на статия, която току-що се появи в „Биология на молекулярните системи“. Логично е, че концентрацията на протеин остава постоянна дори и особено в ситуации на дефицит. Тъй като образуването на тези молекули струва на клетката много енергия, както и разграждането им.

Синтезът на протеини отнема около девет пъти повече енергия, отколкото събирането на молекули на иРНК, както показва проучване върху клетки на бозайници. Учените все още не знаят защо около три четвърти от молекулите на иРНК, които принадлежат към измерените протеини, се колебаят ежедневно, докато нивата на протеина остават едновременно стабилни. Те подозират, че флуктуацията на количествата на иРНК дава възможност на Arabidopsis да реагира по-бързо на променящите се условия на околната среда.

Внезапната реакция на стрес от суша е различна

Резултатите от моделния растителен тален крес могат също да бъдат частично пренесени върху култури като царевица или пшеница. Важно е да се разбере как се държат растенията при променени климатични условия - това включва по-дълги периоди на суша, като това лято в САЩ, казва Вилхелм Груйссем. Мащабният анализ на протеини и молекули на иРНК показва, че адаптацията към дългосрочния недостиг на вода протича по различен начин от реакцията на внезапен воден стрес, при който се активират напълно различни гени и някои молекули на иРНК и свързаните с тях протеини са бързо достъпни в голям брой изтъква той.

Библиография

Baerenfaller K, Massonnet C, Walsh S, Baginsky S, Bühlmann P, Hennig L, Hirsch-Hoffmann M, Howell KA, Kahlau S, Radziejwoski A, Russenberger D, Rutishauser D, Small I, Stekhoven D, Sulpice R, Svozil J, Wuyts N, Stitt M, Hilson P, Granier C, Gruissem W. Системният анализ на растежа на листата на Arabidopsis разкрива адаптация към дефицита на вода. Mol Syst Biol.2012 г. 28 август; 8: 606. doi: 10.1038/msb.2012.39.