Połączenie czasu i energii w genach roślin
Sieć zegarów wewnętrznych rośliny — rytm okołodobowy — odpowiada za kontrolowanie wielu aspektów wzrostu i metabolizmu roślin. Decydujące znaczenie dla komórek roślinnych ma w szczególności zgranie metabolizmu węgla w cyklu dzienno-nocnym, ponieważ umożliwia ono eliminowanie okresów głodu. Korzystając z finansowania ze środków UE, zespół projektu TIMET (Linking the clock to metabolism) wytypował trzy blisko powiązane systemy biologiczne do zbadania: zegar okołodobowy, szlak metaboliczny skrobi oraz szlak metaboliczny izoprenu. Izopreny, odpowiedzialne za produkcję nawet do 30 tys. biocząsteczek, obejmują cholesterol, witaminę K oraz wszystkie hormony sterydowe. Badania opierały się na gromadzeniu dużych zestawów danych i włączaniu ich do złożonego modelu — w podejściu opartym na tak zwanej biologii systemów. Zintegrowano produkty ekspresji genów związanych z zegarem okołodobowym i powiązano je z licznymi szlakami produktów zegara. Dane zarówno na poziomie transkryptomu, jak i proteomu pokazały, że na dzienne rytmy produktywności cząsteczkowej wpływ wywiera zmieniająca się długość dnia oraz mutacje metaboliczne i zegarowe, a także zmiana klimatu. Regulację skrobi obliczano w trybie godzinowym, a rezultaty wskazują na mechanizm zwrotny na poziomie systemowym. Co interesujące, zaobserwowano, że rozkład skrobi trwa nadal w ciągu dnia. Wcześniejsze modele rozróżniały między dwoma stanami — dziennym a nocnym. Podkreślono, w jaki sposób optymalizowane jest wykorzystanie energii i węgla, a także zidentyfikowano czynniki globalne, które kontrolują wzrost. Zespół opracował także publikację ukazującą powiązania pomiędzy kontrolą węglowodanową i okołodobową wzrostu korzenia. Co więcej, naukowcy odkryli kluczowe cząsteczki i metabolity oraz stworzyli infrastrukturę gromadzenia danych, która posłuży do dalszych badań. Nowo opracowane modele ujawniły nowe grupy i sieci genów, które regulują metabolizm roślin w ciągu nocy i za dnia w ramach nieoczekiwanie elastycznego systemu. Na podstawie tych nowych informacji zaprojektowano główny model ramowy, który został przetestowany przy użyciu mutacji symulowanej mutacji zegara w celu wyjaśnienia zmian w biomasie. W pierwszej kolejności zespół TIMET połączył zmienioną dynamikę ekspresji genów ze zmianami ilościowymi na jednym z najwyższych poziomów kontroli w roślinie. Szlaki metaboliczne zbadane w ramach projektu TIMET należą do najistotniejszych w kontekście określania wydajności plonów, zarówno w odniesieniu do upraw spożywczych, jak i niespożywczych. Dalsze prace będą bez wątpienia ukierunkowane na zastosowanie podejścia systemowego względem najważniejszych z perspektywy gospodarczej roślin uprawnych w sektorze rolnym, a także innych systemów biologicznych.
Słowa kluczowe
Metabolizm roślin, ekspresja genowa, zegar okołodobowy, szlak metaboliczny, rośliny uprawne
