W jaki sposób rośliny regulują hormony w przestrzeni
Hormony roślinne, zwane również fitohormonami, to grupa zróżnicowanych strukturalnie, niewielkich cząsteczek organicznych wytwarzanych przez rośliny w niskich stężeniach. Zwykle wpływają one na ekspresję genów oraz transkrypcję, pomagając przy tym regulować rozwój i wzrost. Początkowo zidentyfikowano pięć klas fitohormonów: kwas abscysynowy, auksyny, gibereliny, cytokininy oraz etylen. Listę tę następnie poszerzono, dodając do niej brassinosteroidy, jasmonidy, kwas salicylowy oraz strigolaktony. Od dawna wiadomo, że rośliny wykorzystują złożony mechanizm, by regulować przestrzennie auksynę, a przy tym są w stanie aktywnie transportować hormon do określonych lokalizacji, co jest cechą unikalną dla roślin. Choć sądzono, że regulacja przestrzenna dotyczy tylko auksyn, wiedziano również, że wiele hormonów jest w stanie przemieszczać się w roślinach. Zespół projektu GAtransport finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, postanowił ustalić, czy regulacja przestrzenna dotyczy też innych hormonów. Badacze skupili się na giberelinach, różniących się znacząco od auksyn.
Informacje na temat roli białek
„Założyliśmy, że jeśli potwierdzimy istnienie aktywnej regulacji przestrzennej w przypadku giberelin, będzie to oznaczać, że inne hormony, bardziej przypominające auksynę, są podobnie regulowane oraz że nasze podejście można zastosować również do nich”, wyjaśnia Roy Weinstain, koordynator projektu z Uniwersytetu w Tel-Awiwie będącego gospodarzem projektu. Badacze wykazali, że rośliny rzeczywiście przeprowadzają regulację przestrzenną giberelin. Dodatkowo narzędzia stosowane przez zespół zaowocowały już między innymi odkryciem białek, które transportują gibereliny w organizmach roślin. Dzięki temu możliwy był pomiar – w korzeniach żywych roślin – tempa ruchu hormonu oraz jego trajektorii.
Perspektywa molekularna
Jednym z problemów utrudniających analizę regulacji hormonalnej u roślin było poleganie na badaniach genetycznych na potrzeby określenia funkcji genów. Tak zwana redundancja funkcjonalna utrudnia ten proces, jako że manipulowanie pojedynczym genem nie prowadzi do powstania nowego fenotypu, ponieważ inne geny, o porównywalnych funkcjach, kompensują utraconą aktywność. Aby rozwiązać ten problem, zespół projektu GAtransport opracował narzędzia do bezpośredniego monitorowania i modyfikowania cząsteczki gibereliny. Naukowcy stworzyli wersje hormonu znakowane fluorescencyjnie i zachowujące swą aktywność biologiczną, co pozwoliło na ich wizualizację w roślinie w czasie rzeczywistym. Oznaczało to możliwość identyfikacji konkretnych komórek, w których gromadzi się hormon, a także ustalenie, które białka zajmują się jego transportowaniem. Opracowano też dwie techniki manipulowania lokalizacją, w której powstaje hormon, aby można było obserwować jego ruch z tych lokalizacji wraz z trajektorią i kinetyką. Narzędzia te można też wykorzystać do badania dodatkowych hormonów roślinnych. Na przykład znakowanie fluorescencyjne zastosowano również do zbadania transportu kwasu abscysynowego, a także opracowano techniki oparte na biologii chemicznej, które umożliwiają manipulowanie hormonami w całych, żywych roślinach na poziomie komórkowym. „Techniki te pozwoliły badać transport hormonów oraz ich funkcję w niedostępnej wcześniej rozdzielczości czasowo-przestrzennej. Przybliża nas to do zrozumienia, w jaki sposób hormony roślinne działają na poziomie komórkowym”, opowiada Weinstain.
Potencjalne zróżnicowane korzyści
Hormony roślinne są stosowane w wielu dziedzinach ogrodnictwa i rolnictwa w różnych rolach, od herbicydów po środki kontrolowania wzrostu kwiatów i dojrzewania owoców. Manipulowanie transportem hormonów może otworzyć drogę do wprowadzenia kolejnych innowacji w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. „Ponieważ inne organizmy nie dysponują tym mechanizmem, modyfikowanie transportu hormonów roślinnych powinno być mniej toksyczne niż stosowane obecnie środki chemiczne, a tym samym powinno wywierać mniejszy wpływ na środowisko”, dodaje Weinstain. Znakowane fluorescencyjnie gibereliny opracowane w ramach projektu GAtransport są już powszechnie wykorzystywane przez laboratoria badawcze na całym świecie. Zespół kontynuuje prace nad rozwojem technik modyfikacji hormonów, opisywaniem białek, o których wiadomo, że transportują gibereliny, a także badaniem powiązania pomiędzy regulacją transportu gibereliny a jej wzorcem sygnalizacji.
Słowa kluczowe
GAtransport, hormon, roślina, gen, znakowanie fluorescencyjne, auksyna, giberelina, cząsteczka
