Главный регулятор роста растений: стероид брассиностероид

Ученые давно знали, что растительные стероиды брассиностероиды важны для регуляции роста и развития растений. Однако до сих пор не было известно, насколько широко их влияние. Исследователи, включая Юй Суна и Чжи-Йонга Вана из Департамента биологии растений Института Карнеги, идентифицировали около тысячи генов-мишеней брассиностероида. Это выявило молекулярные связи между стероидом и многочисленными клеточными функциями, а также другими гормональными и светозависимыми цепными реакциями. Исследование, опубликованное 16 ноября 2010 года в журнале Developmental Cell, представляет первую всеобъемлющую карту действия растительного гормона. Эта работа ускорит фундаментальные исследования растений и сельскохозяйственных культур.

Стероиды — важные гормоны как у животных, так и у растений. В отличие от животных, у растений нет желез для производства гормонов. В результате каждая клетка способна генерировать гормоны. Клетки животных обычно реагируют на стероиды с помощью рецепторных молекул внутри ядра. Рецепторы в растениях, называемые рецептор-подобными киназами, закреплены на внешней поверхности клеточных мембран. Исследования показали, что брассиностероиды участвуют в акклиматизации к стрессам окружающей среды, способствуют удлинению клеток и усиливают устойчивость к патогенам, тем самым увеличивая рост растений и урожайность. Однако было неясно, как один стероидный гормон контролирует столько различных процессов. Масштаб его роли также был неполным, поскольку его гены-мишени не были идентифицированы до сих пор.

«Мы провели полногеномный анализ генов, которые являются прямыми мишенями брассиностероида в модельном растении Arabidopsis (родственник горчицы)», — пояснил соавтор Юй Сун. «Мы идентифицировали последовательности ДНК в геноме, где находится фактор транскрипции — белок, запускающий процесс включения или выключения гена. В данном случае белок под названием BZR1 является основным фактором транскрипции, ответственным за регуляцию экспрессии генов брассиностероидом. Он действует в конце цепной реакции, запускаемой связыванием стероида с рецептором Brassinosteroid Insensitive 1 (BRI1) на клеточной мембране. Мы были очень удивлены большим количеством вовлеченных генов. У Arabidopsis всего около 32 000 генов, и этот гормон, по-видимому, управляет множеством различных физиологических реакций».

Ученые наблюдали широкий спектр эффектов брассиностероида на рост растений и их реакции на окружающую среду. Они также определили молекулярную цепь, передающую сигнал от рецептора на поверхности клетки к BZR1 в ядре. Как эта сигнальная цепь контролирует различные процессы роста и физиологические реакции и какой клеточный аппарат она регулирует, было неясно. Ученые обнаружили, что гены-мишени брассиностероида активируют широкий спектр белков, включая ферменты клеточной стенки (например, целлюлазу), множество генов, отвечающих за транспорт материалов по всему растению и организацию цитоскелета, придающего клеткам форму, а также другие процессы развития. Хотя было известно, что брассиностероид тесно связан с несколькими другими гормонами и световыми сигналами, механизмы этих взаимодействий не были известны. Исследователи обнаружили, что белок BZR1 напрямую контролирует активность многих генов, участвующих в реакциях растений на другие гормоны и свет. Карта действия брассиностероида, представленная в этом исследовании, впервые показывает, что множественные гормональные и световые сигналы интегрированы в обширную сеть для контроля роста и развития растений.