Рентгеновские лучи раскрывают неожиданную функцию белка в растениях
Ученые из Корнеллского университета и Национальной лаборатории Брукхейвен обнаружили неожиданную функцию транспортного белка и его роль в регуляторных механизмах растений. Их исследование, опубликованное в The Plant Cell, может помочь уменьшить дефицит минералов у человека, повысив содержание необходимых микроэлементов в съедобных частях растений.
Железо — важный минерал для человека. Оно является ключевым компонентом гемоглобина, играет роль в работе иммунной системы и когнитивных функциях. Растения, такие как шпинат, — один из источников железа, но их строгие регуляторные механизмы предотвращают избыточное накопление минералов, токсичных в высоких концентрациях.
Около десяти лет назад исследователи обнаружили, что транспортный белок олигопептидный транспортер 3 (OPT3) отвечает за перемещение железа в модельном растении Arabidopsis thaliana, а не олигопептидов, как предполагалось изначально. Также было установлено, что снижение уровня OPT3 нарушает распределение железа в растении: корни демонстрируют признаки дефицита железа, несмотря на его обилие в листьях. Это указывало на роль OPT3 в передаче сигнала о статусе железа от побега (листьев) к корням.
Изучение химии растений с помощью света
Чтобы понять функцию белка, ученые создали генетически модифицированные растения-«мутанты» с пониженным содержанием транспортеров OPT3. Их интересовало, как распределение железа в сосудистой системе отличается у мутантных и неизмененных растений, особенно в ткани флоэмы, которая транспортирует питательные вещества от источников к стокам.
Для анализа распределения железа в тканях и клетках использовалась конфокальная рентгеновская флуоресцентная микроскопия (C-XRF) — метод, разработанный ученым из Корнелла Артуром Воллом. Он использует яркий рентгеновский свет для выявления локализации химических элементов в образце, а добавление специальной конфокальной оптики обеспечивает чувствительность по глубине.
Для применения этой техники в ультрамалом масштабе ученые использовали Национальный источник синхротронного излучения II (NSLS-II) в Брукхейвене, который производит пучки света в 10 миллиардов раз ярче солнца. На линии Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX) пучок фокусировали до одного квадратного микрона на срезе черешка листа. Флуоресцентные сигналы, содержащие характерные «отпечатки пальцев» элементов, декодировали для определения их типа, концентрации и точного местоположения.
«В исходной работе мы предположили, что OPT3 важен для загрузки железа во флоэму, — объяснила ведущий автор Джу-Чен Чиа. — Поэтому мы ожидали увидеть в тканях мутанта больше железа в ксилеме, но меньше — во флоэме». Исследователи нашли именно это, но последующие анализы их удивили.
Неожиданное открытие
При анализе распределения нескольких минералов (железа, меди, цинка, марганца) ученые обнаружили, что изменения в распределении меди у мутантных растений повторяют изменения в распределении железа. Это указывало на то, что OPT3 также транспортирует медь во флоэму.
«Если бы мы не привезли наши образцы в NSLS-II, мы никогда бы не предположили, что один транспортер перемещает и железо, и медь в растении. Это довольно необычно», — отметила руководитель исследования Олена Ватаманюк.
Для подтверждения результатов на линии X-ray Fluorescence Microscopy (XFM) ученые использовали рентгеновскую флуоресцентную компьютерную микротомографию (F-CMT), чтобы визуализировать внутреннее распределение элементов в сосудистой системе зародышей растений внутри зрелых семян, не вскрывая их. Сканирование показало более низкие концентрации как железа, так и меди в сосудистых клетках мутантных семян по сравнению с неизмененными. Это стало дополнительным доказательством того, что транспортер OPT3 перемещает оба элемента.
Новый поворот в истории OPT3
Вернувшись в лаборатории Корнелла, исследователи углубились в генетику мутантных растений. Серия экспериментов показала, что железо и медь не только используют общий транспортный белок, но и взаимодействуют в сложном сигнальном пути, который регулирует их поглощение через экспрессию генов.
Это исследование — шаг к смягчению дефицита минералов у человека путем изменения питательной ценности съедобных растений. Ученые изучали A. thaliana — модельное растение с полностью картированным коротким геномом. Теперь они могут применить эти знания для изучения функции этого транспортного белка в злаковых растениях, таких как рис, пшеница или ячмень.
«Физиология растения может корректировать функцию транспортера, поэтому важно применять эти знания к другим растениям. Уверена, нас ждут новые открытия», — заключила Ватаманюк.