Раскрыт ключевой элемент системы быстрого ответа растений
Коллаборация учёных из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США), Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гренобле (Франция) выяснила механизм работы ферментов, которые активируют растительные гормоны, отправляют их на хранение или маркируют для уничтожения.
Исследование опубликовано онлайн 24 мая в Science Express и будет напечатано в одном из будущих выпусков Science.
Роль гормонов растений
Растительные гормоны (фитогормоны) в очень низких концентрациях контролируют рост, развитие и метаболизм, а также позволяют быстро реагировать на стрессы (атаку патогенов/травоядных, изменения температуры, осадков, почвы). Например:
- Ауксины запускают деление клеток, удлинение стебля и дифференцировку.
- Салициловая кислота запускает запрограммированную гибель клеток вокруг места заражения, лишая патоген питания.
- Жасмонаты заставляют растения выделять танины, токсичные для насекомых.
Контроль уровня гормонов
Для точного ответа растения должны контролировать уровень и активность гормонов. Ключевой механизм — семейство ферментов GH3, которые присоединяют аминокислоты к молекулам гормонов, активируя их, переводя в неактивную форму хранения или маркируя для разрушения.
- У модельного растения резуховидки Таля менее 5% ауксинов находятся в активной свободной форме. Остальные — в неактивной конъюгированной с аминокислотами форме, представляя собой быстромобилизуемый резерв.
- Семейство GH3, вероятно, возникло 400 млн лет назад. Гены диверсифицировались: несколько генов у мхов, 19 у резуховидки, более 100 в целом.
Молекулярный механизм ферментов GH3
Структура любого белка GH3 была определена впервые. Ферменты имеют форму "молота и наковальни" и катализируют двухстадийную реакцию:
- Аденyлирование: Активный сайт открыт. Фермент связывает АТФ и свободную кислотную форму гормона, отщепляет от АТФ две фосфатные группы и присоединяет АМФ к гормону.
- Трансферазная реакция: Аденyлирование вызывает поворот части фермента над активным сайтом. Теперь фермент присоединяет аминокислоту к молекуле гормона.
Одна и та же двухэтапная реакция может как активировать, так и инактивировать гормон:
- Присоединение изолейцина к жасмонату делает гормон биоактивным.
- Присоединение аспартата к ауксину IAA маркирует его для разрушения.
Перспективы применения
Понимание системы гормонов и ферментов GH3 открывает возможности для:
- Ускоренной селекции растений, адаптированных к быстро меняющимся климатическим условиям.
- Создания культур с целевыми свойствами. Мутанты по генам GH3 демонстрируют разнообразные полезные признаки: устойчивость к бактериальным или грибковым патогенам, исключительную засухоустойчивость.
- Пример: мутация, нарушающая транспорт гормона ауксина в кукурузе, приводит к низкорослости растений с нормальными початками. Такие растения более засухоустойчивы и могут выращиваться в регионах вроде Индии, где североамериканские сорта не выживают.