Раскрыт механизм регуляции синтеза крахмала у растений
Впервые в мире исследовательская группа Университета Кобе под руководством доцента Хироши Фукаямы выяснила механизм, с помощью которого растения регулируют количество крахмала, производимого в процессе фотосинтеза, на примере риса. Это знание может способствовать улучшению качества и урожайности сельскохозяйственных культур.
Результаты были опубликованы в международном научном журнале Plant, Cell & Environment 14 мая 2021 года.
Предпосылки исследования
Повышенная концентрация CO2 в атмосфере — основная причина глобального потепления. Однако считается, что это может быть полезно для растений, так как они преобразуют CO2 в крахмал посредством фотосинтеза. При выращивании в условиях повышенной концентрации CO2 синтез крахмала ускоряется, что приводит к активному росту и повышению урожайности. Белок CRCT (CO2-Responsive CCT protein) активируется в условиях высокой концентрации CO2, но его функция оставалась неизвестной. Ранее группа обнаружила, что CRCT — важный белок, регулирующий синтез крахмала. Теперь же раскрыто, как именно CRCT регулирует этот процесс.
Методология и результаты
Для синтеза крахмала необходимы различные белки, включая глюкозо-6-фосфат/фосфатный транслокатор, АДФ-глюкозную пирофосфорилазу, крахмалсинтазу и ветвящий фермент крахмала. Исследователи выдвинули гипотезу, что CRCT регулирует экспрессию множества генов, соответствующих этим белкам.
Анализ показал, что CRCT может образовывать комплекс с белками семейства 14-3-3. С помощью меченых зеленым флуоресцентным белком (GFP) конструкций было установлено, что CRCT и белок 14-3-3 образуют комплекс внутри ядра клетки.
Также была выявлена возможность, что CRCT синтезируется в сосудистых пучках флоэмы, а затем перемещается и активируется в паренхимных клетках, запасающих крахмал. Кроме того, CRCT способствует транскрипции, связываясь с регуляторными областями генов, связанных с синтезом крахмала.
Известно, что существует отрицательная корреляция между экспрессией белков 14-3-3 и количеством крахмала. Однако результаты показали положительную корреляцию между количеством крахмала и экспрессией CRCT. Следовательно, группа предполагает, что белок 14-3-3 и CRCT образуют неактивный комплекс.
Перспективы
CRCT, регулирующий синтез крахмала, — перспективная мишень для улучшения качества и продуктивности сельскохозяйственных культур. Поскольку CRCT активируется при повышенной концентрации CO2, это знание будет полезно для селекции сортов риса, подходящих для таких условий.
Аналогичные гены CRCT найдены у всех исследованных на данный момент растений. Группа также изучает функцию CRCT у картофеля — основной крахмальной культуры.
С академической точки зрения остаются нерешенные вопросы: механизм межклеточного перемещения CRCT и то, как CRCT изменяет уровень своей экспрессии в ответ на концентрацию CO2 и уровень сахаров. Полное понимание механизма регуляции синтеза крахмала через CRCT позволит добиться еще большего улучшения сельскохозяйственных культур.