Hogyan reagálnak a növények a vízi étrendre
Az Arabidopsis thaliana mintanövény hatodik levele elsőként vizsgálta, hogyan alkalmazkodnak a növények a vízhiányhoz molekuláris szinten. Meglepő eredménnyel.
A levelek a növény egyik legfontosabb szerve. A fotoszintézis bennük zajlik, a napfény segítségével a szén-dioxid cukorrá alakul, és ezzel egyidejűleg melléktermékként oxigént szabadít fel. A levelek így felépítik a biomasszát, és ezáltal fenntartják a gyökerek és a magtermelés növekedését is.
Az éghajlatváltozás ezeket a szerveket és ezzel együtt a növényeket is fenyegeti: magasabb hőmérsékletek és hosszabb száraz időszakok várhatók, amelyek súlyosan korlátozhatják a levelek működését. A termesztett növényekre alkalmazva ez azt jelenti: Kevesebb biomassza, alacsonyabb termés, kevesebb táplálék az emberek és az állatok számára.
Mért molekuláris reakció a vízi étrendre
Az AGRON-OMICS uniós projekt részeként a növénybiotechnológussal, Wilhelm Gruissem-mel dolgozó kutatók azt akarták megtudni, hogy egy növény a bálnazsáz (Arabidopsis thaliana) esetében kifejlesztése során hogyan reagál a „vízi étrendre”, mindkettő külső expresszió, valamint molekuláris szinten.
A növény által alkotott hatodik levél kifejlesztése során a kutatók meghatározták a fehérjék mennyiségét és a hozzájuk tartozó messenger RNS-molekulákat, és összehasonlították azokat a növények adataival, amelyek elegendő vizet kaptak. A hatos levél a meszzsázsia első „felnőtt” levele.
A kutatók reggel és este négy egymást követő fejlődési szakaszban szüretelték ezt a levelet. Az adatok alapján profilokat hoztak létre, amelyeket összehasonlítani tudtak egymással.
Erős ingadozások a messenger RNS-ben
Kívülről a vízhiány azt jelentette, hogy a növény a várakozásoknak megfelelően lassabban nőtt, és kisebb leveleket képezett. De meghosszabbította növekedési szakaszát annak érdekében, hogy kompenzálja az önkéntelen vízi étrend okozta aljnövényzetet.
A hatos levél molekuláris belső működésének vizsgálata meglepte Wilhelm Gruissemet és Katja Bärenfallert az ETH Növénybiotechnológiai Csoportból. A mért fehérje mennyiség alig változott a nap folyamán, sem azokban a növényekben, amelyek elegendő vizet kaptak, sem azokban, amelyek vízi étrenden nőttek. Több mint 1700 mért fehérje közül csak kettő mutatott nagyobb mennyiségi különbségeket a nap folyamán.
Másrészről a messenger RNS-molekulák (mRNS), azaz egy gén másolatai, amelyek a fehérjék felépítési utasításai, eltérnek. A normál körülmények között növekedő növényekben a több mint 25 000 mért mRNS-molekula felének mennyisége jelentősen megváltozott napközben, néhányuk este gyakrabban, a többi reggel gyakrabban fordult elő. Ez az esti és reggeli mennyiségi különbség ezért nem korrelált a mért fehérjékével. "Ez a tény meglepetés volt számunkra" - mondja Katja Bärenfaller.
A vízhiányban szenvedő növények azonban nem engedték meg maguknak az ingadozó mRNS-mennyiség "luxusát", különösen a növekedés későbbi szakaszaiban.
A hatos számú levél teljes kifejlődése során az apró és a teljesen megtermett levelek között azonban a fehérje mennyiségének változásai, néhány kivételtől eltekintve, szorosan kapcsolódtak az mRNS-molekulák mennyiségéhez, mind vízhiány, mind pedig megfelelő ellátás esetén. . "Jó összefüggést mértünk a fejlesztés során, de nem a napi ciklus alatt" - mondja Wilhelm Gruissem. Úgy tűnik tehát, hogy az mRNS szintjének hosszabb távú változására van szükség ahhoz, hogy valami megváltozzon a fehérje szintjén.
Kérdezem miért
„De miért változik az mRNS szintje a nap folyamán, ha ez kevéssé befolyásolja a fehérje szintjét?” - kérdezi Katja Bärenfaller, a „Molecular Systems Biology” című, most megjelent cikk első szerzője. Van értelme, hogy a fehérjekoncentráció akkor is állandó marad, vagy különösen hiányos helyzetekben. Mivel ezeknek a molekuláknak a képződése sok energiába kerül egy sejtnek, akárcsak a lebontásuk.
A fehérjék szintézise körülbelül kilencszer több energiát igényel, mint az mRNS-molekulák összeállítása, amint azt emlőssejteken végzett tanulmány mutatja. A tudósok még nem tudják, hogy a mért fehérjékhez tartozó mRNS-molekulák körülbelül háromnegyede miért ingadozik naponta, miközben a fehérjeszintek ugyanakkor stabilak maradnak. Gyanítják, hogy az mRNS mennyiségének ingadozása lehetővé teszi az Arabidopsis számára, hogy gyorsabban reagáljon a változó környezeti viszonyokra.
A hirtelen aszály okozta stressz reakció eltérő
A növényi bálnazsák modell eredményei részben átvihetők olyan növényekbe is, mint a kukorica vagy a búza. Fontos felismerni, hogy a növények hogyan viselkednek megváltozott éghajlati viszonyok között - ide tartoznak a hosszabb aszályos időszakok, például az USA nyarán - mondja Wilhelm Gruissem. A fehérjék és az mRNS-molekulák nagyszabású elemzése azt mutatja, hogy a hosszú távú vízhiányhoz való alkalmazkodás másképp megy végbe, mint egy hirtelen vízstresszre adott reakció, amelyben teljesen különböző gének aktiválódnak, és bizonyos mRNS-molekulák és a hozzájuk kapcsolódó fehérjék gyorsan, nagy számban állnak rendelkezésre rámutat.
Bibliográfia
Baerenfaller K, Massonnet C, Walsh S, Baginsky S, Bühlmann P, Hennig L, Hirsch-Hoffmann M, Howell KA, Kahlau S, Radziejwoski A, Russenberger D, Rutishauser D, Small I, Stekhoven D, Sulpice R, Svozil J, Wuyts N, Stitt M, Hilson P, Granier C, Gruissem W. Az Arabidopsis levélnövekedés rendszeralapú elemzése feltárja a vízhiányhoz való alkalmazkodást. Mol Syst Biol. 2012. augusztus 28.; 8: 606. doi: 10.1038/msb.2012.39.