Корни к побегам: расшифрован транспорт гормонов в растениях

Рост растений регулируется сигналами от гормонов. Основная группа растительных гормонов — цитокинины — синтезируется в корнях, а их перемещение в зоны роста стебля и листьев стимулирует развитие. Хотя эти фитогормоны были идентифицированы ранее, молекулярный механизм их транспорта оставался плохо изученным.

Новое исследование под руководством биохимика Чан-Джуна Лю из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США определило белок, необходимый для перемещения цитокининов из корней в побеги.

Исследование опубликовано в выпуске Nature Communications от 11 февраля.

Цитокинины стимулируют рост побегов, ветвление, расширение и высоту растений. Регулирование этих гормонов также улучшает долговечность цветущих растений, устойчивость к засухе или другим стрессам окружающей среды и эффективность азотных удобрений.

Манипулирование распределением цитокининов путем изменения активности транспортного белка может стать способом увеличения урожайности биомассы и устойчивости растений, выращиваемых для производства биотоплива или в сельском хозяйстве. «Это исследование может открыть новые пути для модификации различных важных сельскохозяйственных культур с целью увеличения урожайности и снижения потребности в удобрениях, а также для улучшения использования устойчивых биоэнергетических ресурсов», — сказал Лю.

Используя Arabidopsis (небольшое цветковое растение, родственное горчице и капусте, которое служит распространённой экспериментальной моделью), учёные изучили большое семейство транспортных белков, называемых ABC-транспортёрами (ATP-binding cassette). Эти белки действуют как своего рода меж- или внутриклеточный насос, перемещающий вещества в клетки растений или их органеллы и из них. Проводя анализ экспрессии генов набора этих ABC-транспортёров, исследовательская группа обнаружила, что один ген — AtABCG14 — высоко экспрессируется в сосудистых тканях корней.

Чтобы определить его функцию, они изучили мутантные растения с нарушенным геном AtABCG14. Оказалось, что «выключение» этого гена транспортера приводит к растениям с более слабым ростом, более тонкими стеблями и более короткими первичными корнями по сравнению с диким типом. Эти структурные изменения являются симптомами дефицита цитокининов. По сути, нарушается дальний транспорт гормонов роста, что вызывает изменения в развитии корней и побегов. Нарушенный транспорт также привёл к потере хлорофилла — молекулы, преобразующей поглощённый солнечный свет в энергию.

Затем команда использовала радиоактивные метки, чтобы подтвердить роль белка AtABCG14 в транспорте цитокининов. Они внесли меченные углеродом-14 цитокинины в корни как диких, так и мутантных проростков. В то время как побеги растений дикого типа были полны гормонов, в побегах мутантных растений были лишь следовые количества, хотя их корни были обогащены. Это демонстрирует прямую корреляцию между транспортом цитокининов и действием белка AtABCG14.

«Понимание молекулярной основы транспорта цитокининов позволяет нам глубже оценить, как растения используют и распределяют набор сигнальных молекул для организации своей жизнедеятельности и построения всего организма», — сказал Лю.

«С биотехнологической точки зрения, манипулирование активностью этого идентифицированного транспортера может дать нам гибкость для повышения способности и эффективности растений в улавливании и преобразовании энергии, хранении восстановленного углерода или способности растений адаптироваться к суровым условиям окружающей среды, способствуя тем самым либо производству возобновляемого сырья для топлива и биоматериалов, либо увеличению урожайности зерна для удовлетворения мировых потребностей в продовольствии и энергии».