_ Cercetătorii descoperă „universul paralel” în genetica tomatelor

Într-o lucrare apărută în Science Advances, cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan au dezvăluit un mister genetic surprinzător centrat pe zaharurile găsite în ceea ce grădinarii cunosc drept „gudron de roșii”.

Oricine. care a tăiat plantele de roșii cu mâinile goale și-a găsit probabil degetele întunecate cu o substanță lipicioasă, auriu-negru, care nu se va spăla. Acest gudron de roșii este lipicios din motive întemeiate. Este făcut din zaharuri — acilzaharuri, pentru a fi mai precis — și acționează ca un fel de hârtie naturală pentru muștele pentru dăunători.

„Plantele au evoluat pentru a produce atât de multe otrăvuri uimitoare și alți compuși biologic activi”, a spus Cercetătorul din Michigan State Robert Last, liderul noului studiu.

Laboratorul Last este specializat în acilzaharuri și în structurile minuscule, asemănătoare părului, unde sunt produse și depozitate, cunoscute sub numele de tricomi. Cândva se credea că se găsește exclusiv în tricomi, alți cercetători au raportat recent că au găsit acilzaharuri și în rădăcinile de tomate. Aceasta a fost o surpriză pentru comunitatea științei plantelor.

În studiul lor, echipa de la Universitatea de Stat din Michigan a vrut să afle cum funcționează aceste acilzaharuri din rădăcină și exact de unde provin. Ei au descoperit că nu numai că plantele de tomate sintetizează acilzaharuri unice din punct de vedere chimic în rădăcinile și tricomii lor, dar aceste acilzaharuri sunt produse prin două căi metabolice paralele.

Acesta este echivalentul liniilor de asamblare dintr-o fabrică de mașini care produc două diferite. modele ale aceleiași mașini, dar care nu interacționează niciodată.

Aceste descoperiri îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine reziliența și povestea evolutivă a Solanaceae, sau a solanaceelor, o familie extinsă de plante care include roșii, vinete, cartofi, ardei. , tutun și petunii. De asemenea, ar putea ajuta la informarea cercetătorilor care doresc să dezvolte moleculele produse de plante în compuși pentru a ajuta umanitatea.

„De la produse farmaceutice, la pesticide, la creme de protecție solară, multe molecule mici pe care oamenii le-au adaptat pentru diferite utilizări provin din brațe. cursa dintre plante, microbi și insecte”, a spus Last.

Dincolo de substanțele chimice cheie esențiale pentru creștere, plantele produc, de asemenea, o comoară de compuși care joacă un rol crucial în interacțiunile cu mediul. Aceștia pot atrage polenizatori utili și reprezintă prima linie de apărare împotriva organismelor dăunătoare.

„Ceea ce este atât de remarcabil la acești metaboliți specializați este că sunt de obicei sintetizați în celule și țesuturi foarte precise”, a spus Rachel Kerwin, un cercetător postdoctoral la MSU și primul autor al celei mai recente lucrări.

„Luați de exemplu acilzaharurile. Nu le veți găsi produse în frunzele sau tulpinile unei plante de tomate. Acești metaboliți de apărare lipiciți din punct de vedere fizic sunt fabricați chiar în vârful tricomilor.”

Când s-a raportat că acilzaharurile ar putea fi găsite și în rădăcinile de roșii, Kerwin a considerat-o ca pe o chemare pentru munca de detectiv genetic de modă veche.

„Prezența acestor acilzaharuri în rădăcini a fost fascinantă și a condus la atâtea întrebări. Cum s-a întâmplat acest lucru, cum sunt făcute și sunt diferite de acilzaharurile tricomice pe care le-am studiat?”

Pentru a începe abordarea enigmei evolutive, membrii laboratorului au colaborat cu specialiști de la nucleul de spectrometrie de masă și metabolomică al MSU, precum și cu personalul de la instalația de rezonanță magnetică nucleară Max T. Rogers.

În compararea metaboliților din răsaduri de roșii. rădăcini și lăstari, au apărut o varietate de diferențe. Compoziția chimică de bază a acilzaharurilor supraterane și subterane a fost semnificativ diferită, atât de mult încât ar putea fi definite în întregime ca diferite clase de acilzaharuri.

La sfârșit, un profesor distins la Universitatea din cadrul Departamentului de Științe Naturale al MSU. Biochimie și biologie moleculară și Departamentul de biologie a plantelor oferă o analogie utilă pentru a explica modul în care un genetician abordează biologia.

„Imaginați-vă că încercați să vă dați seama cum funcționează o mașină rupând o componentă la un moment dat”, a spus el. „Dacă aplatizezi anvelopele unei mașini și observi că motorul încă funcționează, ai descoperit un fapt critic, chiar dacă nu știi exact ce fac anvelopele.” Schimbați piesele de mașină pentru gene și obțineți o imagine mai clară a muncii realizate de Laboratorul Last pentru a descifra în continuare codul acilzaharurilor din rădăcină.

Uitându-se la datele publice ale secvenței genetice, Kerwin a observat că multe dintre genele exprimate în producția de zahăr acil de tricom de tomate au avut rude apropiate în rădăcini. După identificarea unei enzime despre care se crede că este primul pas în biosinteza acil-zahărului din rădăcină, cercetătorii au început „să spargă mașina”.

Când au eliminat gena candidată a rădăcinii acil-zahăr, producția de acil-zahăr din rădăcină a dispărut, lăsând producția de tricom acil-zahăr. neatins. Între timp, când gena bine studiată a tricomului acil zahărului a fost eliminată, producția de acil zahăr din rădăcină a continuat ca de obicei.

Aceste descoperiri au oferit o dovadă izbitoare a unei suspectări metabolice în oglindă.

„Alături de calea supraterană a acilzahărului pe care o studiem de ani de zile, aici găsim acest al doilea univers paralel care există sub pământ", a spus Last.

"Acest lucru a confirmat că avem două căi care coexistă în aceeași plantă", Kerwin. a adăugat.

Pentru a conduce acasă această descoperire, Jaynee Hart, cercetător postdoctoral și al doilea autor al celei mai recente lucrări, a analizat mai îndeaproape funcțiile tricomului și ale enzimelor rădăcinilor. Așa cum enzimele tricom și acilzaharurile pe care le produc sunt o potrivire chimică bine studiată, ea a găsit o legătură promițătoare între enzimele din rădăcină și acilzaharurile din rădăcină, de asemenea.

„Studiul enzimelor izolate este un instrument puternic pentru a le determina. activitatea și tragerea de concluzii despre rolul lor funcțional în interiorul celulei plantei", a explicat Hart.

Aceste descoperiri au fost o dovadă suplimentară a căilor metabolice paralele care există într-o singură plantă de tomate.

" Plantele și mașinile sunt atât de diferite, dar similare prin faptul că, atunci când deschizi capota proverbială, devii conștient de multitudinea de părți și conexiuni care le fac să funcționeze în evoluția și funcția sa și dacă le putem folosi în alte moduri”, a spus Pankaj Jaiswal, director de program la U.S. National Science Foundation.

„Cu cât învățăm mai multe despre viețuitoare – din roșii. și alte culturi, animalelor și microbilor – cu atât sunt mai largi oportunitățile de a folosi această învățare în beneficiul societății”, a adăugat el.

Articolul raportează, de asemenea, o întorsătură fascinantă și neașteptată în ceea ce privește grupurile de gene biosintetice sau BGC. BGC-urile sunt colecții de gene care sunt grupate fizic pe cromozom și contribuie la o anumită cale metabolică.

Anterior, Ultimul laborator a identificat un BGC care conține gene legate de acilzaharurile tricomului din plantele de tomate. Kerwin, Hart și colaboratorii lor au descoperit acum că enzima acilzahăr exprimată în rădăcină se află în același grup.

„De obicei, în BGC, genele sunt co-exprimate în aceleași țesuturi și în condiții similare.” a spus Kerwin.

„Dar aici, avem două grupuri separate, dar interconectate de gene. Unele exprimate în tricomi, iar altele exprimate în rădăcini.”

Această revelație l-a determinat pe Kerwin să se scufunde în traiectoria evolutivă a speciilor de Solanaceae, cu speranța de a identifica când și cum s-au dezvoltat aceste două căi unice de acilzahăr.

Mai exact, cercetătorii au atras atenția asupra unui moment în urmă cu aproximativ 19 milioane de ani, când enzima responsabilă pentru tricomul acilzaharului era duplicat. Această enzimă ar fi într-o bună zi responsabilă pentru calea nou-descoperită a acilzahărului exprimat în rădăcină.

Mecanismul exact care a „pornit” această enzimă în rădăcini rămâne necunoscut, deschizând calea pentru ca Ultimul laborator să continue să despacheteze. secretele evolutive și metabolice ale familiei de mănăsele.

„Lucrul cu Solanaceae oferă atât de multe resurse științifice, precum și o comunitate puternică de cercetători”, a spus Kerwin. „Prin importanța lor ca culturi și în horticultură, acestea sunt plante de care oamenii le-au pasat de mii de ani.”

Pentru sfârșit, aceste descoperiri sunt, de asemenea, o reamintire a importanței pesticidelor naturale, care metaboliți de apărare, cum ar fi așa cum reprezintă în cele din urmă acilzaharurile.

„Dacă descoperim că aceste acilzaharuri din rădăcină sunt eficiente în a respinge organismele dăunătoare, ar putea ele fi crescute în alte solaanele, ajutând astfel plantele să crească fără a fi nevoie de fungicide și pesticide sintetice dăunătoare?” Ultima întrebare.

„Acestea sunt întrebări la baza căutării omenirii de apă mai pură, alimente mai sigure și o dependență redusă de substanțele chimice sintetice dăunătoare.”

(Fluierul)