Ученые раскрыли молекулярные структуры, участвующие в дыхании растений
Все растения и животные дышат, высвобождая энергию из пищи. На клеточном уровне этот процесс происходит в митохондриях. Но на молекулярном уровне существуют различия в том, как растения и животные извлекают энергию из источников пищи. Их открытие может революционизировать сельское хозяйство.
"Дыхание растений — биологически важный процесс для роста, для накопления биомассы", — говорит Мария Мальдонадо, постдок из лаборатории Джеймса Леттса. "Если говорить о сельскохозяйственных культурах, то степень их роста связана с накоплением биомассы и взаимодействием между фотосинтезом и дыханием".
В исследовании, опубликованном в eLife, Мальдонадо, Леттс и коллеги представили первую в истории атомарную 3D-структуру самого крупного белкового комплекса (комплекса I), участвующего в митохондриальной дыхательной электронтранспортной цепи растений.
"Для млекопитающих или дрожжей у нас есть высокоразрешающие структуры всей электронтранспортной цепи и даже суперкомплексов, но для растений это была полная "черная коробка", — сказала Мальдонадо. "До сегодняшнего дня".
Выяснение структуры и функциональности этих растительных белковых комплексов может помочь исследователям улучшить сельское хозяйство и даже разработать более эффективные пестициды.
"Многие пестициды нацелены именно на митохондриальные комплексы электронтранспортной цепи вредителя", — пояснил Леттс. "Понимая структуры комплексов растения, мы можем разрабатывать более специфичные пестициды или фунгициды, которые убьют грибок, но не растение и не человека, который его ест".
Выращивание маша в темноте
Для производства пищи растения используют хлоропласты для фотосинтеза. Но хлоропласты создают проблему для ученых, изучающих молекулярные детали митохондриальной электронтранспортной цепи.
"У растений есть митохондрии, а также хлоропласты, которые делают растение зеленым, но эти органеллы очень похожи по размеру и имеют схожие физические свойства", — отметила Мальдонадо.
Это сходство затрудняет выделение митохондрий из хлоропластов в лабораторных условиях. Чтобы обойти это, исследователи использовали "этиолированные" (выросшие в темноте) ростки маша (Vigna radiata). Это предотвратило развитие хлоропластов и привело к обесцвечиванию растений.
"Маш — масличная культура, он запасает энергию в форме масел в семенах, а затем проростки начинают сжигать эти масла как топливо", — сказал Леттс. Без хлоропластов растения не могут фотосинтезировать, что ограничивает их энергетические потоки.
Разделив митохондрии и хлоропласты, исследователи получили более четкое структурное изображение комплекса I и его субкомплексов.
"Мы использовали криоэлектронную микроскопию одиночных частиц, чтобы определить структуру комплексов после их очистки из митохондриальных образцов", — сказал Леттс.
Эти структуры позволяют ученым увидеть на атомном уровне, как собраны белковые "строительные блоки" комплекса I, и чем эти структуры и их сборка отличаются от комплексов в клетках млекопитающих, дрожжей и бактерий.
"Наша структура впервые показывает детали модуля комплекса I, уникального для растений", — заявили исследователи. "Наши эксперименты также намекают, что эта промежуточная сборка может быть не просто шагом к полностью собранному комплексу I, но иметь и собственную отдельную функцию".
Ученые предположили, что уникальная модульная структура комплекса I может давать растениям гибкость, необходимую для процветания как неподвижным организмам.
"В отличие от нас, растения привязаны к земле, поэтому они должны быть адаптивными", — сказал Леттс. "Если что-то меняется, они не могут просто встать и уйти, как мы, поэтому они эволюционировали, чтобы быть чрезвычайно гибкими в своем метаболизме".
Теперь, имея структуру комплекса I, исследователи планируют провести функциональные эксперименты. Дальнейшее понимание функциональности комплекса I может открыть путь к повышению энергоэффективности сельскохозяйственных культур.