Почему плоды созревают, а цветы умирают: ученые из Солка выяснили, как активируется ключевой растительный гормон

10 февраля 2009

Почему плоды созревают, а цветы умирают: ученые из Солка выяснили, как активируется ключевой растительный гормон

10 февраля 2009

Ла-Холья, Калифорния. Наиболее известный своим влиянием на созревание плодов и увядание цветков, газообразный растительный гормон этилен сокращает срок хранения многих фруктов и растений, ускоряя их физиологию. В последние годы ученые многое узнали о различных компонентах, передающих сигналы этилена внутри клеток. Но центральный регулятор реакции на этилен, белок, известный как EIN2, сопротивлялся всем их усилиям.

Наконец, после более чем десятилетия непрерывных исследований группа исследователей во главе с Джозеф Экер, доктор философии, профессор лаборатории биологии растений и директор лаборатории геномного анализа Института Солка, успешно обнаружил неуловимый белок. Оказывается, присутствие этилена стабилизирует эфемерный EIN2, позволяя ему набрать достаточно сил, чтобы передать сообщение этилена.

Их выводы, опубликованные в номере журнала от 15 февраля 2009 г. Гены и развитие, являются важным шагом к определению роли EIN2 в росте и развитии и модификации ключевых процессов для улучшения сельского хозяйства, предотвращения потерь урожая из-за процессов, связанных с этиленом.

«Этилен участвует в самых разных процессах, и из генетических экспериментов мы знали, что EIN2 находится прямо в центре сигнального пути этилена, но долгое время мы не могли понять, как он регулируется», — говорит Экер. «Теперь, когда мы знаем, что EIN2 негативно регулируется деградацией белка, мы можем начать понимать, как он вызывает все эти различные реакции на этилен в растениях».

Этилен влияет на все аспекты жизни растения: он вызывает прорастание семян и так называемую тройную реакцию проростков, которая помогает им преодолевать препятствия. Он регулирует рост корневых волосков в целом и образование клубеньков у азотфиксирующих бобовых. Стимулирует созревание плодов, увядание и опадение цветков, что позволяет растениям сбрасывать плоды, листья и цветы. Но он также защищает от патогенов и воздействия окружающей среды.

Хотя сила этилена используется с тех пор, как древние египтяне обнаружили, что надрезы на инжире ускоряют процесс созревания, это также приводит к значительным потерям для флористов, рынков, поставщиков и производителей. Производство этилена одним гниющим яблоком ускорит процесс созревания соседних яблок, что также приведет к их порче. Стресс во время транспортировки и обработки увеличивает выработку этилена в срезанных цветах, вызывая преждевременное увядание цветков.

«Этилен играет большую роль в нашей повседневной жизни, а перепроизводство этилена ежегодно приводит к огромным экономическим потерям», — говорит первый автор Хун Цяо, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Экера. «Как только мы заполним пробелы в нашем понимании сигнального пути этилена, мы сможем использовать эти знания для улучшения устойчивости растений к патогенам или засухе».

В отсутствие этилена белок под названием CTR1 (сокращение от конститутивной тройной реакции 1) отключает путь этилена посредством репрессии белка, известного как ETHYLENE INSENSITIVE 2 или EIN2. Однако как только этилен связывается с его рецепторами, CTR1 теряет свою парализующую хватку на EIN2, и EIN2 становится активным. Но никто не знал как.

Поскольку активность гена, выделенного в лаборатории Эккера в 1995 году, не меняется, Цяо внимательно изучил уровень белка. Вскоре стало ясно, что EIN2 — это короткоживущий белок, который постоянно перерабатывается. Однако когда она обрабатывала растения этиленом, EIN2 больше не разрушался и начинал накапливаться.

Дальнейшие эксперименты показали, что два так называемых белка F-box, ETP1 и ETP2 (EIN2, нацеленный на белки 1 и 2), помечают EIN2 для деградации, когда он не нужен для передачи сигнала. В присутствии этилена оба белка F-box инактивируются, и EIN2 больше не отправляется на завод по переработке клеток.

«Разложение белков — новая тема в биологии растений, связанная с несколькими сигнальными путями», — объясняет Экер. «Этот тип регулирования похож на то, как будто вы одновременно нажимаете педаль газа и тормоз, а затем отпускаете тормоз. Это позволяет клеткам быстро реагировать на поступающую информацию».

Когда Qiao инактивировал как ETP1, так и ETP2, сигнальный путь этилена оставался постоянно активным. Когда она повышала их уровень выше нормы, растения вообще не реагировали на присутствие этилена, потому что не могли избавиться от ЭТР1 и ЭТР2. «Это действительно подтвердило центральную роль EIN2», — говорит Цяо. «Теперь мы можем следовать этому маршруту и ​​заполнить пробелы между EIN2 и нижестоящими компонентами пути».

В исследование также внесли свой вклад аспирант Кэтрин Н. Чанг и научный сотрудник Джунши Ядзаки, доктор философии, работающие в лаборатории Экера.

Работа финансировалась Национальным научным фондом.

 

Институт биологических исследований Солка в Ла-Хойе, Калифорния, является независимой некоммерческой организацией, занимающейся фундаментальными открытиями в области наук о жизни, улучшением здоровья человека и подготовкой будущих поколений исследователей. Джонас Солк, доктор медицинских наук, чья вакцина против полиомиелита практически уничтожила калечащую болезнь полиомиелит в 1955 году, открыла Институт в 1965 году благодаря подарку земли от города Сан-Диего и финансовой поддержке March of Dimes.