Ученые раскрыли новый механизм регуляции фотосинтеза

Исследователи из Института биологических исследований Солка обнаружили новый сигнальный путь, с помощью которого хлоропласты растений "включают" гены фотосинтеза в ядре клетки. Это открытие может помочь повысить урожайность и устойчивость сельскохозяйственных культур.

Ключевой сигнал — гем

• Сигнальная молекула: Ученые под руководством Джоанн Чори идентифицировали сигнальную молекулу, которую хлоропласты посылают ядру для активации генов, связанных с фотосинтезом. Этой молекулой оказался гем.
• Роль гема: Исследование, опубликованное в Current Biology, показывает, что избыток гема запускает экспрессию фотосинтетических генов. Здоровый хлоропласт, по-видимому, использует гем как сигнал, сообщающий ядру, что пора производить белки, необходимые для фотосинтеза.

Открытие через мутантов gun 6

• Новый мутант: Команда использовала метод активационного таггинга на растении Arabidopsis thaliana, чтобы найти факторы, которые включают фотосинтетические белки, а не выключают их. Был обнаружен ген gun 6.
• Функция гена: Ген gun 6 кодирует фермент феррохелатазу 1 (FC1), необходимый для синтеза гема. Мутанты gun 6 производят слишком много белка FC1, что приводит к повышенному уровню гема.
• Положительный сигнал: В отличие от ранее известных мутантов GUN1–5, которые блокировали негативные сигналы (например, при стрессе), gun 6 — первый мутант, указывающий на положительный сигнальный путь от хлоропласта к ядру.

Сложность регуляции и универсальность механизма

• Специфичность изоформ: Эксперименты показали, что избыток другой изоформы феррохелатазы, FC2, не активирует фотосинтетические гены. Это говорит о том, что гем, произведенный FC1 и FC2, различается, а общая система регуляции роста растений очень сложна.
• Механизм работает у культурных растений: Ученые выделили эквивалент гена FC1 у кукурузы (Zea mays) и встроили его в Arabidopsis. Растения с избытком кукурузного белка FC1 вели себя так же, как мутанты gun 6, продолжая экспрессировать фотосинтетические гены. Это доказывает, что функция FC1, вероятно, одинакова у сорняка (Arabidopsis) и сельскохозяйственной культуры.

Значение для науки и сельского хозяйства

По словам Джоанн Чори, эта работа отвечает на фундаментальные вопросы о том, как растение растет, строит хлоропласты и использует световую энергию. Понимание того, как растения координируют экспрессию генов между хлоропластом и ядром, в конечном итоге позволит повысить урожайность в полевых условиях, где растения часто сталкиваются со множеством стрессовых факторов.