Исследователи приложили огромные усилия для создания растений, которые более эффективно справляются с этими задачами, чтобы вывести более выносливые формы, способные противостоять засухе или условиям с низким содержанием питательных веществ.В новом исследовании исследователи из Пенсильванского университета сделали еще один шаг к достижению этой цели. Они определили два белка, которые регулируют, образует ли клетка в корнях растений волосковая клетка, увеличивающая площадь поверхности для поглощения, или неволосую клетку.
Растения, которые чрезмерно экспрессировали один из этих регуляторов, процветали, несмотря на то, что были лишены ключевого питательного вещества — фосфора.«Обычно растения реагируют на недостаток фосфора тем, что становятся меньше, что означает меньшее количество биомассы, меньшее производство продуктов питания и меньшее производство семян», — сказал Брайан Грегори, доцент кафедры биологии Школы искусств Пенсильвании. Наук и старший автор статьи. «Интересно то, что за счет сверхэкспрессии одного из этих белков, который мы идентифицируем, GRP8, мы смогли получить растения, которые не проявляют такого карликования почти так же значительно, как нормальные растения в условиях фосфорного голодания.
Это точный фенотип, который нам нужен».Такие растения, которые производят больше волосковых клеток и, таким образом, могут легче поглощать воду из почвы, также могут хорошо себя чувствовать в условиях, которые, по прогнозам, будут более распространенными при изменении климата, особенно при широко распространенных засухах.
Ведущим автором работы, опубликованной в Developmental Cell, является Шон У. Фоли, недавний доктор философии. получатель программы аспирантуры по клеточной и молекулярной биологии Медицинской школы Перельмана Пенна. Дополнительными участниками от Пенна были Сагер Дж.
Госай, Нур Селамоглу, Амелия К. Солитти и Февзи Далдал из Департамента биологии, а также Бенджамин А. Гарсия из Перельмана. Они объединились с Дунсюэ Ван и Роджером Б. Дилом из Университета Эмори; Тино Костер, Александр Штеффен и Дороти Штайгер из Билефельдского университета в Германии; и Эрик Лайонс из Университета Аризоны. Дил и Грегори — соавторы статьи.
Первоначально исследователи проводили исследование с целью определения разницы в РНК между двумя очень похожими популяциями волосяных и неволосковых клеток в корнях растений вида Arabidopsis thaliana. Используя чистые популяции ядер каждого из двух типов клеток, они использовали подход, разработанный ранее лабораторией под названием PIP-seq, который позволяет получить полный каталог взаимодействий между РНК и РНК-связывающими белками, взаимодействий, которые могут влиять на экспрессию генов.
Эта методология также позволила группе исследовать вторичную структуру или складку всех транскриптов РНК клеток.«Мы смогли увидеть явные различия во вторичной структуре РНК, а также различия в связывании белков между корневыми волосками и неволосыми клетками», — сказал Фоли.В качестве следующего шага они идентифицировали некоторые из связывающих РНК белков, которые демонстрировали различные профили связывания между популяциями клеток, и обнаружили два, которые казались важными. Один, названный SERRATE, «как известно, играет роль, — сказал Фоули, — в альтернативном сплайсинге и биогенезе микроРНК», процессах, которые могут по-разному изменять экспрессию генов.
Когда они опросили мутантные линии растений с пониженным уровнем SERRATE, они обнаружили, что у растений было больше и длиннее волосковых клеток.Вторым идентифицированным белком, связывающим РНК, был GRP8, также известный как белок, влияющий на реакцию растений на стресс посредством регулирования процессов, влияющих на экспрессию генов.
У растений, которые исследователи разработали для сверхэкспрессии GRP8, было повышенное количество корневых волосковых клеток.Чтобы проверить, влияет ли этот признак на способность растения к росту, они культивировали растения со сверхэкспрессией GRP8 в почве с низким содержанием фосфора.
Они обнаружили, что эти растения способны включать гены, которые увеличивают способность поглощать и транспортировать фосфат по сравнению с нормальными растениями. В результате были растения большего размера.«Мы действительно наблюдаем увеличение поглощения фосфатов, а также увеличение биомассы этих растений», — сказал Фоли. «В условиях фосфатного голодания мы получили более крупные и выносливые растения. Мы полагаем, что это связано с тем, что GRP8 участвует в пути фосфатного ответа, что приводит к усиленному образованию корневых волосков».
В ходе исследования, которое сейчас ведется, авторы проверяют, распространяются ли эти результаты на другие виды растений, в частности на культурные растения. Фосфат является необходимым ресурсом для растений и, следовательно, компонентом большинства удобрений, но избыток фосфата часто попадает в водные пути, где он может нанести вред водным экосистемам. Выращивание сельскохозяйственных культур, которым требуется меньше фосфатов, может уменьшить эти проблемы.В дополнение к применению результатов для повышения эффективности производства продуктов питания, исследователи отмечают, что их метод определения различий в РНК между двумя близкородственными типами клеток может распространяться и на системы, выходящие за рамки растений.
«Это исследование — демонстрация нашей способности, — сказал Грегори, — использовать общегеномный подход для изучения двух очень похожих типов клеток, а затем углубиться в детали и найти биологически значимые белки для изучения. Оно предоставляет модель для нас и других. двигаться вперед в поиске посттранскрипционных регуляторов на разных стадиях развития, стрессовых ответах и всевозможных сценариях.
Фоули добавил: «Что-то вроде этого действительно вызывает вопросы: если мы можем иметь различную вторичную структуру между этими типами клеток, то в каких еще процессах может происходить рефолдинг РНК и какие другие процессы это может помочь регулировать. Это направление, в котором движется лаборатория. . "Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Немецким исследовательским фондом и Национальным институтом общих медицинских наук.