Как растения контролируют повреждения хлоропластов для выживания

Новое исследование Института Солка, опубликованное в Science 23 октября 2015 года, раскрывает фундаментальный механизм, с помощью которого растения управляют своим энергетическим балансом, избирательно уничтожая поврежденные клеточные структуры. Это открытие может помочь в создании более устойчивых сельскохозяйственных культур.

Уникальная стратегия растений

Растения, будучи неподвижными, выработали сложные механизмы для борьбы со стрессом. Хлоропласты — клеточные органеллы, преобразующие солнечный свет в химическую энергию, — иногда необходимо уничтожить. Ранее был известен только сигнал из ядра на массовую деградацию всех 50–100 хлоропластов в клетке (например, осенью). Однако команда Солка впервые показала, как происходит избирательная переработка только неисправных хлоропластов.

Механизм контроля качества

Изучая мутантное растение Arabidopsis, ученые обнаружили, что дефектные хлоропласты производят токсичную активную форму кислорода — синглетный кислород. В ответ клетка помечает такие хлоропласты для утилизации с помощью белковой метки убиквитина.

Ключевую роль в этом процессе играет белок PUB4, который инициирует "убиквитинирование" поврежденных органелл. Это позволяет клетке продолжать фотосинтез, одновременно избавляясь от неисправных "солнечных панелей" и повторно используя их ценные компоненты (ферменты, белки).

Перспективы для сельского хозяйства и медицины

Понимание этого механизма открывает путь к созданию более устойчивых культур:

• В благоприятных условиях можно было бы снизить деградацию хлоропластов для ускорения роста.
• В стрессовых условиях (например, при избытке солнца) можно стимулировать обновление хлоропластов для повышения выживаемости.

Интересно, что аналогичный процесс, вероятно, происходит в нейронах животных с митохондриями — энергетическими органеллами, похожими на хлоропласты. Накопление дефектных митохондрий связывают с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона и, возможно, Альцгеймера.

"Клетки, будь то растительные или животные, учатся избирательно разрушать неработающие энергетические органеллы, чтобы выжить", — отмечает Джесси Вудсон, первый автор исследования.

Таким образом, изучение контроля качества хлоропластов у растений может дать ключевое понимание общих клеточных принципов, актуальных и для медицины.