Исследование раскрывает, как растения контролируют производство активных форм кислорода

Активные формы кислорода (АФК) — высокореактивные молекулы, содержащие кислород. Эти соединения, являющиеся нормальными побочными продуктами биологических процессов у всех живых организмов (например, аэробного дыхания и фотосинтеза), высокотоксичны. В большинстве случаев АФК повреждают клеточные структуры и могут запускать вредный стрессовый ответ, если их уровень не контролируется. Однако за последние десятилетия учёные обнаружили, что АФК часто целенаправленно генерируются клетками для различных целей.

Профессор Кадзуюки Кучицу из Токийского университета науки (TUS) и его коллеги показали, что у растений есть множество типов ферментов, производящих АФК в различных ситуациях: при борьбе с инфекцией, во время роста, развития, размножения (включая оплодотворение) и при адаптации к стрессу.

В центре исследования — механизмы регуляции активности ферментов, генерирующих АФК, называемых NADPH-оксидазами (также известными как RBOHs). Они играют ключевую роль не только у растений, но и у животных, включая человека, а также у грибов.

До сих пор были известны два механизма активации RBOHs:

  1. Связывание ионов кальция (Ca2+) в двух небольших структурах, называемых EF-руками.
  2. Фосфорилирование (химическая модификация) определённых аминокислот, осуществляемое протеинкиназами.

Однако точная взаимосвязь между этими механизмами оставалась неясной.

Исследовательская группа под руководством профессора Кучицу, в сотрудничестве с доктором Такуей Миякавой и профессором Масару Танокурой, использовала модель печёночного мха Marchantia polymorpha и генетически модифицированные клеточные линии для изучения RBOH под названием MpRBOHB.

Ключевые результаты, опубликованные в журнале Physiologia Plantarum 12 декабря 2023 года:

  • Активация MpRBOHB требует не только повышения внутриклеточной концентрации Ca2+, но и связывания ионов Ca2+ в двух областях EF-рук, охватывающих около 200 аминокислот. Для тестов использовались фрагменты хитина, запускающие иммунный ответ, так как хитин — ключевой компонент клеточных стенок микроорганизмов.
  • В высококонсервативных у всех наземных растений областях вокруг EF-рук были идентифицированы два остатка серина. Их фосфорилирование увеличивает сродство MpRBOHB к связыванию Ca2+.

Вывод: Связывание ионов кальция действует как молекулярный переключатель, активирующий MpRBOHB, а фосфорилирование двух специфических остатков серина облегчает это связывание. Эти механизмы, управляемые консервативным регуляторным доменом, вероятно, являются фундаментальными для регуляции всех RBOH наземных растений.

Значение работы: Понимание регуляции ферментов, производящих АФК, может привести к созданию инструментов для искусственного управления их активностью. Это может помочь повысить урожайность, усилить устойчивость растений к загрязнителям или патогенам и даже использовать растения для очистки окружающей среды.

«Производство АФК играет чрезвычайно широкий спектр важных функций у растений... Соответствующий контроль над этим производством может помочь нам улучшить сельское хозяйство и качество пищи, а также способствовать восстановлению окружающей среды», — говорит профессор Кучицу.