Раскрыт древний механизм роста и развития наземных растений

Исследователи из Департамента биохимии Индийского института науки обнаружили давно разыскиваемый механизм, который используют примитивные наземные растения, такие как бриофиты (включая мхи и печёночники), для регуляции роста. Этот механизм консервирован и у более поздно эволюционировавших цветковых растений.

Исследование, опубликованное в Nature Chemical Biology, фокусируется на неканонической регуляции белка DELLA — главного регулятора роста, подавляющего деление клеток у эмбриофитов (наземных растений).

"DELLA похож на лежачего полицейского, но если он будет на месте всё время, вы не сможете двигаться", — объясняет Дебабрата Лаха, доцент и автор-корреспондент исследования.

Поэтому для стимуляции роста критически важно разрушить белок DELLA. У цветковых растений DELLA деградирует, когда гормон гибберелловая кислота (GA) связывается с его рецептором GID1, что приводит к образованию комплекса GA-GID1-DELLA. Затем репрессор DELLA метится цепью молекул убиквитина и разрушается 26S протеасомой.

Интригующе, что у бриофитов — первых растений, колонизировавших сушу около полумиллиарда лет назад, — отсутствует рецептор GID1, хотя они производят фитогормон GA. Это ставит вопрос, как регулировались рост и развитие у этих ранних наземных растений.

Используя в качестве модельной системы печёночник Marchantia polymorpha, исследователи обнаружили, что эти примитивные растения рекрутируют специальный фермент MpVIH, который производит клеточный мессенджер инозитол пирофосфат (InsP₈), чтобы разрушить DELLA без участия гибберелловой кислоты.

Роль VIH была подтверждена, когда исследователи нокаутировали соответствующий ген с помощью системы CRISPR-Cas9. Растения без функционального фермента VIH демонстрировали серьёзные дефекты развития и морфологии: компактные талломы, нарушенный радиальный рост и отсутствие выводковых почек.

Эти дефекты устранялись, когда геном растения модифицировали для производства только одного конца (N-конца) фермента VIH. Используя продвинутую хроматографию, команда обнаружила, что N-конец содержит киназный домен, который катализирует производство InsP₈.

Исследователи идентифицировали DELLA как одну из клеточных мишеней киназы VIH. Более того, они наблюдали, что растения с дефицитом MpVIH фенотипически копируют растения M. polymorpha с гиперэкспрессией DELLA.

"На этом этапе мы с нетерпением хотели узнать, повышается ли стабильность или активность DELLA в растениях с дефектным MpVIH", — говорит Приянши Рана, первый автор и аспирант исследовательской группы Лахи.

В соответствии с их гипотезой, исследователи обнаружили, что подавление DELLA в значительной степени восстанавливает дефектные фенотипы роста и развития мутантных растений MpVIH. Эти данные свидетельствуют, что киназа VIH негативно регулирует DELLA, чтобы стимулировать рост и развитие растений.

Комбинируя генетические, биохимические и биофизические подходы, исследователи выяснили механизм, лежащий в основе регуляции DELLA инозитол пирофосфатом у этого вида печёночников. В частности, InsP₈, продуцируемый MpVIH, связывается с MpDELLA, способствуя полиубиквитинированию и последующей протеасомной деградации белка-репрессора.

Исследования белка DELLA восходят к Зелёной революции, когда учёные, не зная того, использовали его потенциал для создания высокоурожайных полукарликовых сортов. Хотя механистические детали его работы были тогда неизвестны, современные технологии теперь позволяют учёным стремиться к манипулированию функцией этого белка, используя технологию редактирования генов для эффективного повышения урожайности.

"Поскольку население растёт, а сельскохозяйственные земли сокращаются, повышение продуктивности культур становится необходимым", — говорит Лаха.

"Учитывая, что регулируемая InsP₈ деградация DELLA, возможно, консервирована среди всех эмбриофитов, это открытие может открыть пути для создания культур следующего поколения с улучшенной урожайностью.

"Изучение ранних наземных растений также даёт нам возможность заглянуть в их эволюцию за последние 500 миллионов лет. Например, сайты связывания InsP₈ до сих пор существуют у современных цветковых растений, даже несмотря на то, что эти растения дестабилизируют DELLA через гиббереллин-зависимый путь. Такие инсайты помогают понять, как эволюционировали клеточные сигнальные пути с течением времени".