Белок, который закрывает "рот" растений

Исследователи с помощью мощных рентгеновских лучей в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США раскрыли атомную структуру белка, ответственного за закрытие устьиц (или "ртов") растений. Эти молекулярные "фотографии" помогут понять, как растения реагируют на изменения окружающей среды, такие как засуха и растущий уровень углекислого газа и озона. Исследование под руководством учёных из Колумбийского университета и Центра структурной биологии Нью-Йорка опубликовано 28 октября 2010 года в журнале Nature.

Растения "едят" и "дышат" через устьица — крошечные поры на листьях. Днём эти отверстия поглощают CO₂ для фотосинтеза и выделяют кислород и водяной пар. Ночью, чтобы сохранить влагу, устьица закрываются двумя бобовидными замыкающими клетками — ближайшим аналогом мышц у растений.

Однако темнота — не единственный сигнал для закрытия. Устьица также закрываются в ответ на высокий уровень CO₂, озона, низкую влажность и засуху. В этом исследовании учёные искали детали о белке, который запускает молекулярную цепную реакцию, ведущую к закрытию устьиц.

Изучаемый белок является анионным каналом, который перемещает отрицательно заряженные ионы (в данном случае хлорид) через клеточную мембрану, снижая тургорное давление в растении. Низкое давление заставляет замыкающие клетки терять упругость, и устьица закрываются.

Команда из Колумбийского университета определила структуру бактериального "родственника" этого белка на синхротроне NSLS в Брукхейвене, облучая белок яркими рентгеновскими лучами и анализируя картину дифракции для получения 3D-снимка структуры.

Используя бактериальный белок в качестве модели и проводя эксперименты с растительным белком, учёные обнаружили "включатель" анионного канала. Обычно этот канал находится в напряжённой конформации, которая блокирует прохождение анионов. Однако когда к каналу присоединяется фосфатная группа, его структура меняется и канал открывается, позволяя анионам свободно течь. В результате давление падает и устьица закрываются.

Это исследование стало возможным благодаря высокому разрешению данных, полученных на синхротроне. Работа такого типа получит дальнейшее развитие на строящемся источнике NSLS-II, который будет производить рентгеновские лучи в 10 000 раз ярче и с гораздо более высоким разрешением, чем NSLS.