W jaki sposób lipidy obniżające stres zwiększają odporność roślin
Trudne warunki środowiskowe powodują, że nie wszędzie można uprawiać rośliny, a w wielu przypadkach mogą prowadzić do utraty plonów. Czynniki stresogenne, takie jak susza i zasolenie, wywołują zmiany w fizjologii i biochemii roślin, dlatego też badania dotyczące tego, w jaki sposób rośliny je wykrywają i dostosowują się do nich, znalazły się w centrum zainteresowania uczonych. Z dotychczasowych badań wynika, że kluczowe znaczenie w tym procesie mają lipidy – grupa związków organicznych, które stanowią część błony komórkowej roślin. „Dwa związki lipidowe, diacyloglicerol i kwas fosfatydowy, należące do tak zwanych najistotniejszych »przekaźników wtórnych«(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wywołują zmiany fizjologiczne na poziomie komórkowym rośliny”, wyjaśnia Miguel Botella, koordynator finansowanego przez Unię Europejską projektu PLISUS. „Biorąc pod uwagę tę ważną rolę, muszą one być ściśle regulowane, więc chcieliśmy zbadać niektóre z kluczowych mechanizmów, które to umożliwiają”. Zespół projektu był zainteresowany zbadaniem roli miejsc kontaktu między wyspecjalizowanymi strukturami komórki (organellami), skupiając się zwłaszcza na punktach styku między retikulum endoplazmatycznym a błoną komórkową, o których wiadomo, że są niezbędne do komunikacji i regulacji procesów komórkowych. Badania przeprowadzono dzięki wsparciu otrzymanemu w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Badanie połączenia między retikulum endoplazmatycznym a błoną komórkową
Błony komórkowe u roślin tworzą liczne miejsca kontaktu między większością organelli komórkowych, w tym błoną komórkową, która otacza komórki, zapewniając im ochronę przed środowiskiem zewnętrznym. Komórki roślinne rozwinęły kilka mechanizmów sygnalizacyjnych, których zadaniem jest ostrzeganie przed stresorami i uruchamianie procesów ochronnych. Sygnalizacja lipidowa pozwala na przenoszenie lipidów z błony komórkowej do błony retikulum endoplazmatycznego. Do przeprowadzenia tego procesu niezbędna jest rodzina białek zwanych synaptotagminami(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (SYT), które „wiążą” ze sobą obie błony. Wcześniejsze badania wykazały, że białka SYT zawierają region określany jako domena SMP, która, jak wykazano, wiąże klasę lipidów zwaną fosfolipidami(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Wskazuje to na mechanizm, za pomocą którego białka SYT faktycznie regulują sygnalizację lipidową. „Synaptotagminy mogą przenosić fosfolipidy z błony komórkowej do retikulum endoplazmatycznego, w którym są modyfikowane, a następnie wysyłane z powrotem do błony komórkowej, gdzie ich zadaniem jest przeciwdziałanie stresowi”, dodaje Botella. W swoich pracach zespół wykorzystał mikroskopię konfokalną do zbadania modelowej rośliny, jaką jest rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana), wykorzystując dzikie rośliny jako grupę kontrolną, a także mutanty SYT, do których wprowadzono niedziałające białko SYT. Przedmiotem analizy był wpływ stresu na endocytozę – proces wykorzystywany przez komórki do regulowania ilości wprowadzanych do ich wnętrza i wyprowadzanych z nich substancji, w związku z czym uczeni badali rośliny w warunkach kontrolnych oraz po zastosowaniu niskich temperatur. Dzięki temu odkryli, że w przypadku zmutowanych genów endocytoza była rzeczywiście zaburzona, ponieważ stres zimna spowodował zmianę zawartości diacylogliceroli w błonie komórkowej. Aby wnikliwiej przyjrzeć się temu procesowi, w projekcie wykorzystano analizę transkryptomiczną do poszukiwania innych genów, które mogłyby kontrolować proces endocytozy. Mimo że w ramach projektu znaleziono poszukiwane białka, przed wyciągnięciem wiążących wniosków konieczne są dalsze badania. „Wcześniejsze prace zaowocowały wyjaśnieniem, w jaki sposób białka SYT utrzymują stabilność diacylogliceroli w błonie komórkowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pod wpływem stresu. Dzięki wynikom uzyskanym w projekcie PLISUS dowiedzieliśmy się, że ta homeostaza wiąże się z procesem endocytozy”, mówi Botella. „Byliśmy zaskoczeni, że zmutowane kompleksy SYT nie są w stanie w ogóle przeprowadzić endocytozy, co sugeruje, że zawartość diacylogliceroli w błonie komórkowej jest istotnym regulatorem tego procesu”.
Zwiększenie odporności roślin uprawnych
Wnioski wyciągnięte z analiz wykonanych przez zespół PLISUS są ważnym wkładem w działania zmierzające do stworzenia bardziej odpornych upraw poprzez programy selektywnej hodowli lub manipulacje genetyczne. „Ponieważ niedobór wody i wysokie zasolenie ograniczają dostępność miejsc, w których można hodować rośliny uprawne i ogrodowe, nasze odkrycia mogą przełożyć się na bardzo konkretne zastosowania praktyczne”, wyjaśnia badacz Jose Aznar-Moreno, uczestnik projektu. Z uwagi na fakt, że dokładny mechanizm molekularny i fizjologiczne konsekwencje związku między kompleksem SYT a szlakiem endocytarnym wciąż nie są znane, ich wyjaśnienie znalazło się obecnie w centrum uwagi naukowców.
