Як рослини реагують на водну дієту
Листок номер шість модельної рослини Arabidopsis thaliana був першим, хто вивчив, як рослини адаптуються до дефіциту води на молекулярному рівні. З дивовижними результатами.
Листя - один з найважливіших органів рослини. У них відбувається фотосинтез, використовуючи сонячне світло для перетворення вуглекислого газу в цукор і одночасно виділення кисню як побічного продукту. Листя таким чином формують біомасу, а отже, також підтримують ріст коренеплодів та виробництва насіння.
Зміна клімату загрожує цим органам, а разом з ними і рослинам: прогнозуються вищі температури та триваліші посушливі періоди, що може суттєво обмежити функцію листя. Застосовується до культурних рослин, це означає: Менше біомаси, менший урожай, менше їжі для людей та тварин.
Виміряна молекулярна реакція на водну дієту
В рамках проекту ЄС «АГРОН-ОМІКС» дослідники, що працюють з біотехнологом рослин Вільгельмом Груйссемом, хотіли дізнатися, як рослина, в даному випадку талоновий крес (Arabidopsis thaliana), реагує на «водну дієту» під час свого розвитку, як самостійно зовнішня експресія, а також на молекулярному рівні.
Для цього під час розробки шостого листка, який утворює рослина, дослідники визначили кількість білків і пов'язаних з ними молекул РНК і порівняли їх з даними рослин, які отримували достатню кількість води. Листок номер шість - це перший «дорослий» лист крес-тала.
Дослідники збирали цей лист на чотирьох послідовних стадіях розвитку вранці та ввечері. За даними вони створили профілі, які вони могли порівняти між собою.
Сильні коливання РНК-месенджера
Зовні відсутність води означало, що рослина росла повільніше, як очікувалося, і утворювала менші листя. Але вона продовжила фазу росту, щоб компенсувати недорослість, спричинену мимовільною водною дієтою.
Погляд на молекулярні внутрішні дії листка номер шість здивував Вільгельма Груйссема та Катю Беренфаллер з групи біотехнологій рослин ETH. Кількість виміряних білків майже не змінювалася протягом дня, ні в рослинах, які отримували достатню кількість води, ні в тих, які вирощувались на водній дієті. З більш ніж 1700 виміряних білків лише два показали більші відмінності в кількості протягом дня.
З іншого боку, молекули РНК-месенджера (мРНК), тобто копії гена, які є вказівками щодо побудови білків, різні. У рослин, які росли в нормальних умовах, кількість приблизно половини з понад 25000 виміряних молекул мРНК суттєво змінювалася протягом дня, причому деякі були більш частими ввечері, а інші вранці. Отже, ця різниця в кількості ввечері та вранці не корелювала з різницею вимірюваних білків. "Цей факт для нас став несподіванкою", - говорить Катя Беренфаллер.
Однак рослини, які страждали від нестачі води, не могли дозволити собі "розкіш" коливань кількості мРНК, особливо на пізніх стадіях зростання.
Протягом усього розвитку листка номер шість від крихітного до повністю вирослого листа, однак, зміни кількості білків були, за кількома винятками, досить тісно пов’язані з кількістю молекул мРНК, як у випадку нестачі води, так і достатнього надходження . "Ми вимірювали хорошу кореляцію протягом усього розвитку, але не протягом щоденного циклу", - говорить Вільгельм Груйссем. Отже, здається, що для того, щоб щось змінилось у рівнях білка, потрібна більш тривала зміна рівнів мРНК.
Питання чому
«Але чому рівень мРНК змінюється протягом дня, якщо він мало впливає на рівень білка?» - запитує Катя Беренфаллер, перша автор статті, яка щойно з’явилася в «Біології молекулярних систем». Має сенс, що концентрація білка залишається постійною навіть у випадках дефіциту. Оскільки утворення цих молекул коштує клітині багато енергії, як і їх розпад.
Синтез білків займає приблизно в дев'ять разів більше енергії, ніж збір молекул мРНК, як показує дослідження на клітинах ссавців. Вчені ще не знають, чому приблизно три чверті молекул мРНК, які належать до вимірюваних білків, коливаються щодня, тоді як рівні білка залишаються стабільними одночасно. Вони підозрюють, що коливання кількості мРНК дає можливість арабідопсису швидше реагувати на зміни умов навколишнього середовища.
Реакція на раптову посуху різною
Результати модельного рослинного крес-талу також можна частково перенести на такі культури, як кукурудза або пшениця. Важливо визнати, як рослини поводяться в змінених кліматичних умовах - це включає триваліші періоди посухи, такі як цього літа в США, говорить Вільгельм Груйссем. Широкомасштабний аналіз білків і молекул мРНК показує, що адаптація до тривалого дефіциту води протікає інакше, ніж реакція на раптовий водний стрес, при якому активуються зовсім інші гени, а певні молекули мРНК та пов'язані з ними білки швидко доступні у великій кількості - вказує він.
Бібліографія
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. Системний аналіз росту листя арабідопсису виявляє адаптацію до дефіциту води. Mol Syst Biol.2012, 28 серпня; 8: 606. doi: 10.1038/msb.2012.39.