Wiemy coraz więcej na temat tego, jak rośliny odbierają bodźce
Rośliny nie mają oczu ani uszu, a jednak potrafią widzieć, słyszeć, czuć i reagować na sygnały i zagrożenia ze strony środowiska. Szczególnie wrażliwe są na silne czynniki chorobotwórcze. Umożliwiają im to białka błonowe, które potrafią wyczuć pojawienie się bakterii i różnych nacisków.
Narzędziami klasycznej genetyki przebadano jak dotąd niewiele spośród tych „czujących białek” i w związku z tym wiedza na temat tego, jak działają i współpracują między sobą, jest ograniczona. Zmienić postanowił to międzynarodowy zespół biologów, który stworzył mapę sieciową dla 200 z tych białek. Mapa pokazuje, że kilka białek odgrywa kluczową rolę węzłów łączących i w spójny sposób kierujących całością. Mapa odkrywa też kilka zupełnie nowych, nieznanych interakcji. Publikacja ukazała się w tygodniu „Nature”.
– Nasza praca ma pionierski charakter – opowiada dr Shahid Mukhtar, assistant professor na University of Alabama w Birmingham (USA), współautor publikacji. – Zbadanie i zrozumienie zależności między tymi białkami może przyczynić się do odkrycia sposobów zwiększenia odporności roślin na patogeny i inne niebezpieczne czynniki, takie jak bardzo wysoka i bardzo niska temperatura, zbyt duże zasolenie czy też susza. Naszym celem jest też stworzenie mapy drogowej przyszłych badań dla naukowców na całym świecie.
Międzynarodowy zespół, w którym współpracują badacze z Europy, Kanady i USA, działał pod przewodnictwem dr. Youssefa Belkhadira z wiedeńskiego Instytutu Biologii Molekularnej Roślin im. Gregora Mendela (GMI – Gregor Mendel Institute).
Opracowana kompleksowa mapa sieci interakcji skupia się na najważniejszej grupie tych specyficznych białek – na kinazach receptorowych zawierających powtórzenia bogate w leucynę (LRR, ang. leucine-rich repeat), które strukturalnie podobne są do ludzkich receptorów toll-podobnych (TLR, ang. toll-like receptors).
Kinazy receptorowe LRR są rodziną białek występującą zarówno u roślin jak i u zwierząt, i zarówno u jednych, jak i u drugich odpowiedzialne są za odbieranie sygnałów ze środowiska. U roślin mają charater zewnątrzkomórkowych domen białka, wychodzących poza błonę komórkową i dzięki temu mogących rozpoznawać chemiczne sygnały, takie jak hormony wzorstu albo białka pochodzące od patogenów. Po otrzymaniu sygnału kinazy receptorowe inicjują reakcję na niego już wewnątrz komórki, dzięki wewnątrzkomókowym domenom białek.
Modelowa roślina, na której przeprowadzano badania – rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana) – zwiera ponad 600 różnych kinaz receptorowych (50 razy więcej niż człowiek), newralgicznych dla wzrostu, rozwoju, odporności i reakcji na dotyk. Jak dotąd tylko garstka z nich została zbadana i stąd niewiele wiedzieliśmy o ich funkcjach, o tym jak wchodzą w relacje między sobą i w jaki sposób są w stanie koordynować odpowiedzi na często sprzeczne sygnały, które do nich docierają.
Na potrzeby badania opublikowanego w „Nature” Belkhadir przebadał interakcje między domenami zewnątrzkomórkowymi par receptorów. Pracując na ponad 400 domenach zewnątrzkomórkowych kinaz receptorowych LRR, przeprowadził około 40 tysięcy testów interakcji. Pozytywne wyniki określonych interakcji pozwoliły stworzyć mapę interakcji pokazującą, jak te kinazy współpracują ze sobą we w sumie 567 bardzo wyraźnych interakcjach.
Następnie we współpracy z laboratoriami na Uniwersytecie w Toronto (Kanada) przeprowadzono algorytmiczne testy, które przyniosły zróżnicowane hipotezy możliwego działania całej sieci. Te przeiwdywania były znów testowane i sprawdzane w Sainsbury Laboratory w Norwich (Wielka Brytania). Wyniki dodatkowo potwierdzono badając wewnątrzkomórkowe domeny tych samych kinaz.
Jak wyjaśnia dr Adam Mott z Uniwersytetu w Toronto, badanie przyniosło dwa zaskakujące rezultaty. Po pierwsze, okazało się, że kinazy receptorowe LRR, które mają małe domeny zewnątrzkomórkowe, wchodzą w interakcję z innymi kinazami częściej niż te z dużymi domenami. To oznacza, że małe kinazy receptorowe wyewoluowały w taki sposób, żeby koordynować działanie innych receptorów. Po drugie, badaczom udało się zidentyfikować kilka nieznanych wcześniej kinaz receptorowych LRR o roli newralgicznej dla całej sieci. Pośród tych ostatnich szczególnie istotna okazała się jedna, nazwana APEX, której usunięcie powodowało poważne zakłócenia w całej sieci, nawet jeśli inne receptory zdawały się wchodzić w tę samą rolę.
Ustalenia badaczy mogą przynieść bardzo konkretne korzyści. Jeśli uda się zidentyfikować kinazy receptorowe ważne na przykład dla zbóż, to będzie można zmienić ich poziom odporności na konkretne patogeny i dostosować do zmieniających się warunków klimatycznych.
Artykuł źródłowy: Elwira Smakowska-Luzan et al, An extracellular network of Arabidopsis leucine-rich repeat receptor kinases, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25184
Opracowano na podstwie artykułu „Breakthrough study shows how plants sense the world” opublikowanego na portalu Phys.org
