Это всего лишь виды задач, которые биологи растений стремятся понять с точностью, когда возрастает давление, чтобы прокормить растущее население в условиях неконтролируемого изменения климата. Но гормоны растений влияют на такое большое количество генов и видов деятельности растений, что тонкие детали гормональных реакций — в лучшем случае — неясны.
Исследователи из Вашингтонского университета разработали новый набор инструментов на основе модифицированных дрожжевых клеток, чтобы выяснить, как гены и белки растений реагируют на ауксин, самый распространенный растительный гормон. Их система, описанная в статье, опубликованной 19 сентября в Proceedings of the National Academy of Sciences, позволила им расшифровать основные эффекты ауксина на разнообразное семейство генов, которые растения используют для обнаружения и интерпретации сообщений, управляемых ауксином.«Ауксин имеет разные сообщения в разных контекстах», — сказала старший автор и профессор биологии Университета штата Вашингтон Дженнифер Немхаузер. «Одна клетка реагирует на ауксин одним способом, а ее сосед — прямо противоположным — два разных ответа от одного и того же химического вещества. Что происходит внутри этих клеток, чтобы передавать противоположные сообщения?»
Как наиболее распространенный гормон растений, ауксин влияет практически на все аспекты биологии растений, включая рост, развитие и реакцию на стресс. Биологам давно известно, что ауксин действует на участки ДНК, называемые промоторами, чтобы включать или выключать близлежащие гены. Но ауксин не просто включает или выключает все близлежащие гены.
При использовании ауксина одни гены включаются, другие отключаются, и возможны даже более тонкие ответы. Белки растений опосредуют эти разнообразные ответы, связываясь с ауксином, а затем с промоторами. Некоторые белки снижают экспрессию генов, другие — наоборот.«Существует большое количество перекрестных коммуникаций между белками, и растения имеют огромное количество генов, которые являются мишенями для ауксина», — сказал Немхаузер. «Это делает невероятно трудным расшифровать основной« код »ауксина в растительных клетках».
Поэтому команда Немхаузера перешла с клеток растений на почкующиеся дрожжи — одноклеточный гриб и популярный лабораторный инструмент. Исследователи сконструировали дрожжевые клетки для экспрессии белков, которые реагируют на ауксин, чтобы они могли измерить, как ауксин изменяет состояние включения / выключения ключевых генов растений, которые они также встраивают в клетки.
По сути, они подстроили дрожжи, чтобы они реагировали на ауксин. Для Немхаузера это был простой сдвиг в подходе с потенциально огромной отдачей.«Мы изменили точку зрения на эту проблему», — сказал Немхаузер. «Изучив вопрос об ответе растений на ауксин и реконструировав его — по частям — в дрожжах, мы смогли выявить наиболее важные части».
Команда Немхаузера могла вводить различные белки ауксинового ответа в модифицированные дрожжевые клетки, каждый раз измеряя, как они изменяли экспрессию генов в присутствии ауксина. Их эксперименты выявили основной «код» передачи сигналов ауксина — как определенные комбинации репрессирующих или активирующих белков могут связываться с ауксином, ДНК и друг с другом, чтобы влиять на поведение клеток. Например, их эксперименты с дрожжами показывают, что ген-активирующий белок ARF19 должен связываться с идентичным белком, чтобы полностью включить гены. С другой стороны, многим белкам, подавляющим гены, не нужен партнер для отключения генов.
Эти и другие простые правила были четко показаны только в дрожжевой системе, разработанной командой Немхаузера. Они проливают свет на сложное взаимодействие внутри клеток, которое производит четкие опосредованные ауксином сообщения.«Это сложная комбинация факторов внутри клеток, которые при интерпретации через это взаимодействие дают сложные выходные сигналы — например,« Следует ли этому растению вкладывать энергию в создание листьев или корней? », — сказал Немхаузер. «И все это начинается с этого сложного танца между ауксином и белками, отвечающими на ауксин».Немхаузер надеется, что этот дрожжевой инструмент, который она разработала вместе с профессором электротехники UW Эриком Клавинсом, раскроет более подробную информацию о действиях ауксина в растительных клетках.
И она надеется, что знания дадут возможность как фермерам, так и генетикам растений в их стремлении повысить урожайность и устойчивость к засухе и изменению климата.«Эти инструменты могут сделать так много, потому что биологические системы сложнее всего, что мы могли бы создать», — сказал Немхаузер. «И с правильными инструментами и знаниями об этих гормональных сигнальных путях мы будем точно знать, какие изменения — минимальные и целенаправленные — приведут к желаемым характеристикам сельскохозяйственных культур».