Как нитрат регулирует экспрессию генов у бобовых

Растения семейства бобовых образуют на корнях клубеньки для усвоения азота. Бобовые прекращают образование клубеньков, когда азота в избытке, но точный механизм контроля этого процесса нитратами оставался загадкой. Теперь исследователи из Японии обнаружили, что взаимодействия между белками и нитратом могут индуцировать и подавлять гены, контролируя клубенькообразование, что имеет потенциал для применения в устойчивом сельском хозяйстве.

В исследовании, опубликованном в апреле в The Plant Cell, команда из Университета Цукубы показала, что различные ДНК-связывающие свойства белков, устанавливающих развитие клубеньков, определяют, включаются или выключаются гены симбиоза, управляющие нодуляцией, и что эта экспрессия генов индуцируется нитратом.

До сих пор понимание молекулярной активности, определяющей, как бобовые останавливают нодуляцию при избытке нитрата, было неполным. Предыдущие исследования идентифицировали транскрипционные факторы, вовлечённые в образование клубеньков, но это лишь часть истории.

«Основываясь на предыдущей идентификации транскрипционных факторов для белков (известных как NLPs), участвующих в инициации клубеньков, мы стремились ответить на вопрос, как экспрессия симбиотических генов, облегчающая нодуляцию, контролируется нитратом», — говорит старший автор исследования профессор Такуя Сузаки. «Мы протестировали специфические NLPs и обнаружили, что они имеют перекрывающиеся функции, вызывая нитрат-индуцированный контроль нодуляции».

Чтобы изучить эти молекулярные взаимодействия, исследователи проанализировали молекулы РНК и признаки растений, используя белки Lotus japonicus. Они обнаружили, что некоторые белки обладают двойными функциями, выступая в роли главных регуляторов нитрат-зависимой экспрессии генов. Они также идентифицировали новые сайты связывания белков и сравнили их с ранее известными. Их результаты раскрывают базовые принципы, связанные с NLP-регулируемой транскрипцией симбиотических генов, подавляющих нитратную нодуляцию.

Исследовательская группа подчеркнула наличие дополнительных вопросов. Некоторые NLPs обнаруживаются в ядрах клеток в ответ на нитрат и останавливают производство клубеньков, в то время как другие постоянно агрегируют в ядрах независимо от уровня нитрата. Для последних неясно, как они функционируют исключительно в присутствии нитрата. Локализация NLPs в клетке имеет значение, потому что трансляция происходит в цитоплазме. Если изменения белков происходят после считывания генетического кода (посттрансляционные модификации), это могло бы объяснить, как эти NLPs получают доступ к белково-белковым взаимодействиям и регулируют гены.

«Раскрытие того, как транскрипционные факторы влияют на экспрессию генов, было недостающим элементом головоломки для понимания регуляции транскрипции у растений», — объясняет профессор Сузаки. «Наши открытия приближают нас к пониманию того, что возможно в этих сложных молекулярных взаимоотношениях, но ещё многое предстоит распутать. Будущие исследования должны быть направлены на ответ на вопрос, как нодуляция регулируется другими NLPs и у других интересующих видов растений».