Установлена связь между сигнализацией сахара и регуляцией производства масла у растений
Растения, как и другие организмы, должны управлять своим энергетическим бюджетом. Хотя они известны преобразованием солнечной энергии в химическую в виде сахаров, у них есть сложные биохимические механизмы для регулирования расходов этой энергии. Производство масел требует больших затрат.
Исследуя детали этого тонкого энергетического баланса, учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США выявили ранее неизвестную связь между белком, поддерживающим баланс сахара в растении, и белком, который включает производство масла. Эта биохимическая детективная работа, описанная в журнале The Plant Cell, указывает на новые стратегии использования энергии, захваченной растениями от солнца, для производства масляных биотоплив и других биоматериалов.
"Это исследование показывает, как понимание фундаментальной биохимии и клеточной биологии потенциально может быть полезно для увеличения производства желаемых растительных продуктов", — сказал старший биохимик лаборатории Джон Шэнклин, руководивший исследованием.
Команда Шэнклина, включающая постдока Чжияна Чжая и научного сотрудника Хуэй Лю, изучила роли генетических и биохимических факторов, которые могут связывать уровень сахара в растениях с производством масла.
"Мы много знаем о гомеостазе сахара — механизмах, поддерживающих его на нужном уровне", — сказал Шэнклин. "Одним из ключевых игроков является белок, который контролирует уровень сахара, подобно тому как термостат контролирует температуру".
Когда сахара мало, этот белок, известный как KIN10, добавляет фосфатную группу к тысячам различных белков, изменяя их функции таким образом, чтобы в конечном итоге повысить уровень сахара. По мере роста уровня сахара способность KIN10 фосфорилировать белки ингибируется, замедляя производство сахара.
Кроме того, когда сахара много, растения могут инвестировать в энергоёмкие процессы, такие как производство масел. Но когда уровень сахара падает, производство масла замедляется. Поэтому Шэнклин предположил связь между этими двумя процессами.
Его команда начала с изучения примерно 1000 белков, фосфорилируемых KIN10, но не нашла искомых связей с синтезом масла. Тогда учёные сосредоточились на главном регуляторном белке, известном своим контролем над синтезом масла.
"Этот белок, известный как WRINKLED1, включает гены, производящие масло", — пояснил Шэнклин.
Для проверки связи между двумя регуляторными белками команда использовала систему быстрого генетического анализа для экспрессии генов в листьях табака, а затем иммунологические методы для измерения белков и количественный анализ для измерения масла.
Когда учёные экспрессировали ген WRINKLED1 в листьях табака, этот белок-"включатель" накапливался вместе с маслом. Однако, когда они также экспрессировали ген KIN10, белок WRINKLED1 деградировал, и масла накапливалось мало. Это указывало на то, что WRINKLED1 каким-то образом является мишенью для KIN10 — ранее неизвестная связь.
Для дальнейшего исследования команда очистила эти белки и использовала радиоактивную форму элемента фосфора для отслеживания реакции фосфорилирования. В присутствии KIN10 радиоактивные атомы фосфора переносились на WRINKLED1, скорее всего, в двух сайтах, которые команда предположила в качестве мишеней после анализа последовательности белка.
"Мы подтвердили идентичность двух сайтов, создав генетические варианты WRINKLED1, лишённые их, и показали, что эти варианты не фосфорилируются KIN10", — сказал Шэнклин. "И когда мы протестировали экспрессию модифицированных вариантов в листьях табака, WRINKLED1 накапливался до более высоких уровней".
Причина, объяснил Шэнклин, в том, что фосфорилирование метит и подготавливает WRINKLED1 к разрушению естественным клеточным механизмом рециклинга белков.
Таким образом, эта работа обеспечивает механистическую связь между уровнем сахара и производством масла:
- Когда сахара мало: KIN10 фосфорилирует WRINKLED1, метя его на разрушение, поэтому доступно меньше WRINKLED1 для включения производства масла.
- Когда уровень сахара повышается (в "хорошие времена"): KIN10 выключается, уровни WRINKLED1 растут и стимулируют производство масла.
Детали исследования предлагают несколько возможных способов для учёных модифицировать WRINKLED1, чтобы попытаться "обмануть" растения и заставить их производить больше масла:
- Изменить сайты, которые фосфорилируются.
- Вмешаться в сайты, которые позволяют фосфорилированному белку попасть в механизм рециклинга.
"Природа делает генетические 'включатели' недолговечными, чтобы обеспечить быструю реакцию на изменяющиеся метаболические условия", — сказал Шэнклин. "Поэтому нам не нужно производить больше 'включателя' производства масла, нам просто нужно предотвратить деградацию белка, чтобы он накапливался и давал более сильный эффект".