Этот процесс — тонкое химическое событие — происходит в клетках каждого растения каждую секунду каждого дня.Новое понимание означает, что когда-нибудь фермеры смогут выращивать зерновые в условиях или в климате, где они в настоящее время не могут расти, сказал химик Брайан Д. Золтовски из Южного методистского университета, Даллас, который руководил исследованием.«Теперь мы понимаем химию, позволяющую растениям поддерживать естественный 24-часовой ритм синхронно с окружающей средой. Это позволяет нам настраивать химию, например, поворачивать диммер вверх или вниз, чтобы изменить способность организма сохранять время», — сказал Золтовски. сказал. «Таким образом, мы можем либо заставить часы завода работать быстрее, либо заставить его работать медленнее.
Изменяя эти тонкие химические процессы, мы могли бы рационально изменить фотохимию растения, чтобы позволить ему адаптироваться к новому климату».В частности, исследователи выяснили химические основы того, как химическая связь в белке Zeitlupe образуется и разрывается в ответ на солнечный свет, и скорость, с которой это происходит, чтобы понять, как белки в клетках растения сигнализируют растению, когда нужно цветут, метаболизируются, накапливают энергию и выполняют другие функции.
Команда Золтовски с сотрудниками из Вашингтонского университета и Университета штата Огайо создала штаммы растений с особыми изменениями в способе их реакции на синий свет.«С помощью этих растений мы демонстрируем, что действительно можем четко настроить реакцию организмов на окружающую среду», — сказал Золтовски.Золтовски и его коллеги сделали открытие, нанеся на карту кристаллическую структуру растительного белка, функция которого заключается в измерении интенсивности солнечного света.
Белок способен преобразовывать интенсивность света в событие образования связи, которое позволяет растению отслеживать время дня и сообщать растению, когда цвести или усваивать питательные вещества.Растение использует визуальные подсказки, чтобы постоянно считывать каждый аспект окружающей среды и настраивать свои физиологические функции для соответствующей адаптации.
Некоторые из этих сигналов отслеживаются растительными белками, которые поглощают и передают световые сигналы — так называемые фоторецепторы. Исследовательская группа специально изучила два ключевых фоторецептора, Zeitlupe (Zite-LOO-puh) и FKF-1.
«Растения имеют очень сложный набор фоторецепторов, поглощающих свет разных длин волн, чтобы распознавать каждый аспект окружающей среды и соответствующим образом адаптироваться», — сказал Золтовски, доцент химического факультета СМУ. «Все их клетки и типы тканей работают согласованно друг с другом».Об этом сообщении было сообщено в статье «Кинетика домена LOV Zeitlupe, определяющего его циркадную функцию у Arabidopsis» в онлайн-журнале eLIFE перед публикацией в печати.
Соавтор и ведущий автор — Ашутош Пудасаини, аспирант химического факультета СМУ, который в настоящее время является научным сотрудником Юго-западной медицинской школы Техасского университета в Далласе. Другими соавторами являются Джэ Сон Шим, Янг Хун Сон и Такато Имаидзуми, Вашингтонский университет, Сиэтл; Хуа Ши и Дэвид Э. Сомерс, Государственный университет Огайо; и Такатоши Киба, Центр науки об устойчивых ресурсах RIKEN, Япония.Исследование финансируется за счет гранта Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения, предоставленного лаборатории Золтовски.Ночь — подходящее время для роста растений«Если вы живете на Среднем Западе, люди говорят, что вы слышите, как по ночам растет кукуруза», — сказал Золтовски, выросший в сельской местности Висконсина.
«В течение дня растение накапливает столько энергии, сколько может, поглощая фотоны солнечного света, так что вечером оно может осуществлять весь свой метаболизм, рост и развитие. Так что существует разделение между днем и ночью».Растения измеряют эти дневные и ночные колебания, а также сезонные изменения. Уже существовали знания о начальной химии, биологии и физиологии этого процесса.
Кроме того, Золтовски и его коллеги опубликовали в 2013 году открытие, что аминокислоты в Zeitlupe, работающие как диммер, постепенно становятся более активными, когда дневное время переходит в вечернее время, тем самым управляя 24-часовым циркадным ритмом. Кроме того, они обнаружили, что FKF-1 сильно отличается от Zeitlupe. FKF-1 включается с утренним светом и измеряет сезонные изменения, иначе называемые фотопериодизмом.
Но пробел в знаниях остался. Было загадкой, как информация интегрируется организмом.«В конечном итоге это должно быть связано с каким-то химическим явлением, с каким-то химическим хронометром», — сказал Золтовски. «Итак, следуя по этому следу, мы выяснили, как работает химия».
Снимки темного и светлого состоянияПроблема требовала двоякого подхода: решение структуры белка, чтобы понять, как образование и разрыв связей изменяет восприятие организмом окружающей среды; и решение химии, в частности кристаллических структур темного и светлого состояний белка.В результате этого процесса был получен снимок белка в темном состоянии и снимок белка в светлом состоянии, чтобы исследователи могли наблюдать за изменениями в структуре белка в ответ на событие образования связи.Оттуда исследователи сделали математические модели.
1) объясняющие, как химический состав разрыва и образования связи, а также скорость, с которой это происходит, должны влиять на организм; а также2), которые создают мутации в белке, которые влияют на то, как он переходит из темного состояния в светлое, чтобы заблокировать этот процесс.Стандартные методы привели к открытию
Команда использовала несколько стандартных приемов. Чтобы понять химию, они применили ультрафиолетовую видимую спектроскопию, чтобы измерить, насколько эффективно белки поглощают свет.
Они отслеживали различия в спектре поглощения, видя, какие длины волн поглощаются, чтобы отслеживать химические изменения между темным и светлым состояниями.Что касается структуры, они кристаллизовали белки и собрали данные на синхротронных источниках Корнельского университета, а затем составили карту, как головоломку, где все электроны расположены в кристалле. Оттуда они могли подобрать и построить — аминокислота за аминокислотой — белок, давая трехмерное изображение того, где расположен каждый атом в белке.
«Это дает нам изображения и снимки всех этих дискретных событий, где мы можем посмотреть, как атомы движутся и меняются от одного к другому», — сказал Золтовски. «Это позволяет нам видеть, как формируются и разрываются связи, и как остальная часть белка изменяется в ответ на это».Почему мы не подумали об этом?По словам Золтовски, этот вопрос был важным в этой области, но сложные технические препятствия помешали его решениям.
Ключом к его команде были настойчивость и многолетний опыт.«С этим белком нелегко работать — сложно получить кристаллы этих белков.
Для этого требуется белок, который достаточно стабилен и будет взаимодействовать таким образом, чтобы давать идеально упорядоченный кристалл. "Исследователи изо всех сил пытались получить достаточное количество белка, чтобы иметь возможность проводить такие исследования", — сказал он.Думайте об этом как об алмазе, сказал Золтовски, который представляет собой идеально упорядоченный кристалл, состоящий только из атомов углерода, расположенных определенным образом.
«Zeitlupe и FKF-1 содержат тысячи атомов в каждом белке, и для того, чтобы получить кристалл, каждая молекула белка должна располагаться с той же точностью и точностью, что и атомы углерода в алмазе. Чтобы это произошло , где они красиво упаковываются вместе, нетривиально. А с некоторыми белками просто действительно сложно работать ».Золтовски и его коллегам посчастливилось иметь многолетний опыт работы с этими семействами белков, которые называются доменами свет-кислород-напряжение, или для краткости LOV-доменами.
«Таким образом, за эти годы мы разработали множество навыков и методов, которые могут преодолеть некоторые технические препятствия», — сказал он. «Так что, просто набираясь опыта со временем, мы стали лучше работать с некоторыми очень сложными белками. Это делает то, что является сложным, намного более удобным для нашей лаборатории».
Применимо ли это ко всем белкам LOV в каждом растении?Zeitlupe — немецкое слово, означающее замедленное движение. Этот белок был назван Zeitlupe, потому что ученые обнаружили, когда ранее они обнаружили мутации этого белка, что он заставляет циркадные часы работать медленнее. Это естественным образом изменило восприятие времени организмом.
«Мы хотели понять белки достаточно хорошо, чтобы мы могли выборочно изменять химию или выборочно изменять структуру, чтобы создать мутации, которые можно будет проверить в организме», — сказал Золтовски. «Нам нужна была прогностическая модель, которая сообщила бы нам, что эти мутации, влияющие на кинетику — скорость, с которой эта связь разрывается, — должны делать« X »в организме».Новое открытие команды привело к созданию гибридных растений — то, что природа уже делает и делает в течение миллионов лет в процессе эволюции, чтобы растения приспосабливались к выживанию.«Мы ничего не добавляем в растение и не меняем его генетику», — сказал Золтовски. «Мы делаем очень тонкую целевую мутацию в конкретный белок, который уже является нативным растительным белком — и тот, который мы показали в этой статье, значительно эволюционировал в различных сельскохозяйственных культурах, чтобы это уже произошло».Это открытие дает ученым возможность рационально интерпретировать экологическую информацию, влияющую на растение, с целью внесения мутаций, вместо того, чтобы полагаться на селективную селекцию для достижения целевой мутации для создания фенотипов, которые потенциально позволяют растению расти в другой среде.
Исследование открывает множество новых дверей, включая новые вопросы о том, как эти белки меняют свою конфигурацию и как другие переменные, такие как окислительный стресс, соединяются с глобальными сенсорными сетями растений, чтобы также изменять белки и посылать множественные сигналы из окружающей среды.«Мы узнали, что нужно уделять пристальное внимание определенным частям белка, потому что они избирательно модулируют активность в различных категориях этого семейства», — сказал Золтовски. «Если мы посмотрим на все семейство этих белков, то есть ключевые аминокислоты, которые эволюционно отобраны, поэтому они развивают определенные модуляции этой активности для своей собственной независимой ниши в окружающей среде. белок, на который нам нужно взглянуть, чтобы увидеть, чем теперь отличаются аминокислоты ».
Помимо гранта NIH, лаборатория работает на 250 000 долларов, предоставленных Фондом Германа Фраша Американского химического общества для грантов на химические исследования в области сельскохозяйственной химии.
