Ученые открыли распространенный в растительном царстве сенсор азота

Азот — один из важнейших питательных элементов для роста растений, от простых зеленых водорослей до цветковых. Он необходим для развития всех клеточных компонентов, и, поскольку хорошее снабжение азотом ускоряет рост, его широко используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Азот ассимилируется в хлоропластах растительных клеток с образованием аминокислоты глутамина. Эта молекула служит формой хранения и центральным дистрибьютором, распределяющим азот по различным метаболическим путям.

Ученые исследовали, как растения отслеживают свой азотный баланс. Они обнаружили, что растения обладают сложным сенсором глутамина. Так называемые PII сигнальные белки действуют как «датчик уровня топлива» для доступного азота, измеряя концентрацию глутамина. Эта информация затем используется растениями для точного контроля своего роста.

PII белки — центральные регуляторы метаболизма, хорошо изученные у бактерий. Однако исследования этого типа белков у зеленой водоросли Chlamydomonas неожиданно показали, что для их работы требуется дополнительный компонент: их сигнальная функция тесно связана с уровнем глутамина. PII белки стимулировали производство различных других аминокислот — «строительных блоков» белков, но только при высоких концентрациях глутамина.

Ученые определили трехмерную структуру PII белков у этих водорослей: по сравнению с бактериальными PII белками у них есть небольшое дополнительное расширение, которое исследователи назвали «Q-петлей». Эта маленькая петля обнаруживает и связывает свободные молекулы глутамина. «Только когда это расширение загружено глутамином, PII белок складывается в структуру, необходимую для передачи сигнала и инициации последующих метаболических шагов», — объясняет ведущий автор исследования.

Далее исследователи выясняли, является ли эта особенность уникальной для зеленых водорослей Chlamydomonas или она распространена среди растений. С помощью биоинформатических методов они проанализировали все доступные генетические чертежи растительных PII белков. «Оказалось, что это небольшое расширение присутствует во всех растительных PII белках, от зеленых водорослей до мхов, и вплоть до риса и других цветковых растений», — заявляют ученые.

Расширение Q-петли дегенерировало только в одном семействе растений: крестоцветных. «Любопытно, что Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), важный модельный организм в исследованиях растений, принадлежит к этому семейству и, таким образом, является исключением», — добавляют они. Соответствующий PII белок у резуховидки Таля действительно не зависит от глутамина. Однако, когда исследователи искусственно добавили интактную Q-петлю из водорослевого белка к белку резуховидки в лабораторных тестах, реакция на глутамин восстановилась — что подтвердило функциональную роль Q-петли.

Целенаправленно изменяя PII белки в растениях, можно влиять на образование определенных метаболитов. «Предстоит выяснить, окажет ли открытие азотного сенсора значительное влияние на селекцию растений», — говорит Форххаммер.

Открытие также преподало урок эволюции. Азотный сенсор — пример того, как новые свойства могут возникать на основе существующих компонентов. Хлоропласты изначально были цианобактериями, мигрировавшими в клетки. У этих бактерий были PII сигнальные белки без расширения. Однако в растении возникла необходимость напрямую измерять доступность азота для метаболического контроля. Поэтому добавилось расширение, и передача сигнала была связана с уровнем глутамина. Эта черта оказалась настолько полезной, что была передана всем потомкам в растительном царстве и — с немногими исключениями — существует по сей день.