Тиоловые окислительно-восстановительные переключатели регулируют, как семена растений используют свои запасенные запасы энергии / Исследование опубликовано в «PNAS»
Семена растений могут показаться случайному наблюдателю невероятными, но они обладают свойствами, которые ничем не отличаются от сверхспособностей. В сухом состоянии они могут хранить свою энергию годами, а затем внезапно высвобождают ее для прорастания, когда условия окружающей среды благоприятны. Одним из ярких примеров является «суперцвет» в национальном парке «Долина Смерти», когда семена, которые десятилетиями переносили сухую и жаркую пустыню, внезапно прорастают при дожде, а спустя несколько месяцев происходит редкое и впечатляющее цветение пустыни. Семена сохраняют полностью сформированный зародыш, который продолжает расти только тогда, когда для этого есть подходящие условия. Такое состояние семян может длиться годами — в более крайних случаях, даже столетия.
Прорастание семян контролируется несколькими растительными гормонами, которые интенсивно исследуются. Однако о процессах, которые должны происходить, чтобы гормоны функционировали, было известно немного. Как энергия в семени становится доступной? Как энергетический обмен может быть начат рано и эффективно? Международная команда исследователей в настоящее время изучает эти вопросы.
Семена растений могут хранить свою энергию в сухом состоянии в течение многих лет, только чтобы внезапно высвободить ее и прорасти. Как энергия в семени становится доступной? Как энергетический обмен может быть начат рано и эффективно? Международная группа исследователей во главе с Университетом Мюнстера (Германия) обнаружила, что тиоловые окислительно-восстановительные переключатели играют ключевую роль в запуске энергетического обмена.
Используя новый тип флуоресцентных биосенсоров, исследователи наблюдали в живых семенных клетках как энергетический обмен, так и так называемый окислительно-восстановительный метаболизм, который зависит от серы. Исследователи обнаружили, что когда семена вступают в контакт с водой, энергетический метаболизм налаживается в считанные минуты, и «электростанции» растительных клеток, известные как митохондрии, активируют свое дыхание. Исследователи также выяснили, какие молекулярные переключатели активируются для эффективного высвобождения энергии, причем так называемые тиол-редокс-переключатели играют центральную роль.
«Изучая самые ранние процессы контроля прорастания, мы можем лучше понять механизмы, обеспечивающие прорастание семян», — говорит профессор Маркус Шварцлендер из Мюнстерского университета (Германия), который руководил исследованием. «В будущем мы могли бы подумать о том, как такие переключатели могут быть использованы в биотехнологии сельскохозяйственных культур». Результаты исследования могут иметь значение в сельском хозяйстве, когда семена должны сохранять энергию прорастания как можно дольше, с одной стороны, но также должны прорастать синхронно и с минимальными потерями, с другой стороны. Исследование было опубликовано в журнале PNAS (Известия Национальной академии наук) .
Предпосылки и методика:
Чтобы иметь возможность наблюдать за активностями энергетического обмена, исследователи визуализировали под микроскопом аденозинтрифосфат (АТФ), общую валюту для энергии в клетке, и никотинамид-адениндинуклеотидфосфат (НАДФН), энергию электронов, в митохондриях. Они сравнивали семена кресса тале: и сухие семена, и семена, «пропитанные» водой.
Чтобы выяснить, важны ли окислительно-восстановительные переключатели для начала всходов, исследователи дезактивировали специфические белки, используя генетические методы, а затем сравнили реакцию, показанную модифицированными семенами, с реакцией немодифицированных. Исследователи позволили семенам искусственно стареть в лаборатории, и они увидели, что семена прорастали гораздо менее активно, если в них отсутствовали соответствующие белки.
Следующим шагом исследователей был так называемый анализ окислительно-восстановительного протеома, то есть они исследовали соответствующие окислительно-восстановительные белки в полном объеме с использованием биохимических методов. Для этого они изолировали активные митохондрии и мгновенно заморозили их, чтобы иметь возможность изучать это состояние непосредственно там, где происходил процесс. Затем исследователи использовали методы масс-спектрометрии для выявления нескольких так называемых цистеин-пептидов, которые важны для эффективности использования ресурсов в энергетическом обмене.
«Этот процесс можно сравнить с системой управления движением большого города. До наступления часа пик, т. е. прорастания, когда большое количество метаболитов «в дороге », необходимо включить светофор и систему маршрутизации еще утром, и здесь это делается с помощью редокс-переключателей — тиолов », — объясняет ведущий автор доктор Томас Ницель, который проводил большинство экспериментов в рамках своей докторской диссертации в Институте науки о растениеводстве и сохранения ресурсов в Университете Бонна и позже в качестве научного сотрудника в Институте биологии и биотехнологии растений в Мюнстерском университете.
