Учёные открыли новый путь сигнализации о низком содержании кислорода у растения Arabidopsis thaliana
Изменение климата увеличивает частоту экстремальных погодных явлений. Большинство исследований до сих пор было сосредоточено на продолжительных засухах и периодах жары. Однако интенсивность осадков представляет другую угрозу, так как избыток воды вызывает переувлажнение или, в крайних случаях, затопление, что приводит к стрессу от низкого содержания кислорода у растений.
Исследовательская группа под руководством Института Лейбница IPK и Университета Билефельда сообщает об открытии нового пути сигнализации о низком содержании кислорода у модельного растения Arabidopsis thaliana. Этот молекулярный путь связывает митохондриальный сигнал стресса при гипоксии с инициацией адаптационного транскрипционного ответа. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Аэробные реакции необходимы для поддержания роста и развития растений. Нарушение доступности кислорода из-за избытка воды, например, при переувлажнении или затоплении, снижает продуктивность и выживаемость растений. Следовательно, растения контролируют доступность кислорода, чтобы соответствующим образом корректировать рост и метаболизм.
Несмотря на идентификацию центральных компонентов адаптации к гипоксии в последние годы, молекулярные пути, участвующие в самой ранней активации ответа на низкое содержание кислорода, изучены недостаточно, а длительные периоды стресса будут иметь пагубные последствия для урожайности и выживания растений.
Клетка содержит несколько органелл, включая эндоплазматический ретикулум (ЭПР) — крупную динамичную трубчатую структуру, окружающую клеточное ядро и участвующую в синтезе белков и метаболизме липидов. Исследователи охарактеризовали три заякоренных в ЭПР транскрипционных фактора Arabidopsis ANAC, а именно ANAC013, ANAC016 и ANAC017, которые связываются с промоторами подмножества основных генов гипоксии (HCGs) и активируют их экспрессию. При гипоксии ядерный ANAC013 ассоциируется с промоторами множества HCGs.
Было обнаружено, что «спящий» транскрипционный фактор (ANAC013), связанный с мембраной ЭПР, высвобождается при стрессе от низкого содержания кислорода путём протеолитического расщепления его якорного домена. Впоследствии активированный белок ANAC013 перемещается в ядро, чтобы инициировать транскрипционное репрограммирование для запуска адаптивных ответов.
«Мы не только определили транскрипционный фактор, ответственный за это начальное репрограммирование, но и протеазу, то есть фермент, способный разрезать белки, которая высвобождает ANAC013 из мембраны ЭПР», — говорит доктор Йозефус Шипперс, руководитель исследовательской группы «Развитие семян» IPK. Эта протеаза принадлежит к классу так называемых ромбовидных протеаз, которые присутствуют почти у всех видов для регуляции клеточных процессов.
Однако субстраты для этих протеаз ранее не были описаны у растений, что указывает на новизну раскрытого в нашей работе механизма.
Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать, что расщепление ANAC013 ромбовидной протеазой зависит от сигнала, происходящего из митохондрий.
«Мы ожидаем, что изучение молекулярной природы вышестоящего сигнала будет чрезвычайно интересно для понимания межорганеллярной коммуникации. Более того, поскольку недавно идентифицированный модуль, состоящий из фактора ANAC013 и его процессирующей протеазы, высококонсервативен у растений, мы предполагаем, что полученные результаты можно перенести на сельскохозяйственные культуры для повышения их устойчивости к переувлажнению», — говорит профессор д-р Роми Шмидт-Шипперс из Университета Билефельда.