Учёные раскрыли биологический путь в растениях, который можно использовать для выведения более устойчивых культур

Исследователи из Университета штата Мичиган обнаружили механизм, который может помочь превратить естественный "выключатель смерти" в клетках растений в "выключатель жизни", повышающий устойчивость сельскохозяйственных культур к стрессам, связанным с изменением климата.

Это фундаментальное открытие, опубликованное в журнале Nature Plants, имеет значение для понимания того, как организмы реагируют на стресс, связанный с перепроизводством белков в клетке.

"Жизнь зависит от активности органеллы, называемой эндоплазматическим ретикулумом, или ЭР", — сказала Федерика Брандицци, руководитель лаборатории. ЭР производит необходимые биомолекулы, включая липиды и треть всех белков клетки. В стрессовых ситуациях его биосинтетическая способность может нарушаться, что приводит к состоянию "стресса ЭР", которое может быть летальным.

"Мы обнаружили специфический путь и новые регуляторы, ранее не связанные с реакциями на стресс ЭР", — сказал ведущий автор исследования Дэ Кван Ко. Это открывает новые направления для исследований.

Стресс и клеточный "выключатель смерти"

Клетки всех эукариот — растений, грибов и животных — имеют механизмы самоуничтожения, которые активируются в неблагоприятных условиях. Понимание этих механизмов может помочь разработать стратегии для предотвращения гибели клеток в ответ на определённые стрессоры.

Команда сосредоточилась на изучении одного из сигнальных путей, который, подобно переключателю, определяет выбор между жизнью и смертью клетки во время стрессового ответа.

Работа с модельным организмом

ЭР отвечает за сворачивание белков. Когда спрос на сворачивание белков превышает возможности ЭР (например, при стрессе или атаке патогенов), возникает "пробка" из несвёрнутых белков — стресс ЭР.

Чтобы изучить путь, определяющий критическую точку этого стресса, команда использовала модельное растение Arabidopsis thaliana (резуховидку Таля). Эти процессы высоко консервативны у всех эукариот, а работа с моделью позволяет проводить исследования быстро.

Исследователи вырастили обычные растения Arabidopsis и мутантные линии с тысячами случайных генетических изменений. Затем они подвергли растения воздействию соединения, ингибирующего сворачивание белков, искусственно создав "пробку" в ЭР.

Обычные растения выдерживали этот стресс, но мутант, лишённый ключевого белка IRE1 ("Inositol Requiring Enzyme 1"), — нет. Однако дальнейшие мутации в этом мутантном растении могли вернуть его устойчивость к стрессу ЭР почти к норме.

"У нас есть мутантное растение, которое должно быть чувствительным к стрессу ЭР. Но, мутагенизируя этого мутанта, мы нашли другого мутанта, который восстанавливает устойчивость", — пояснил Ко.

Этот более устойчивый мутант потерял дополнительный белок под названием PIR1 ("Phosphatase type 2CA Interacting Ring finger protein 1"). С помощью геномного и масс-спектрометрического анализа учёные раскрыли связанную с этим генетику и молекулярную сигнализацию, определяющую судьбу клетки в условиях стресса ЭР.

Значение открытия

Хотя это один путь в одном растении, методология может быть использована для поиска других важных путей стресса ЭР у других эукариот, включая человека.

Белок PIR1 встречается только у растений, но он есть у сотен видов, включая сельскохозяйственные культуры, такие как соя. "Это позволяет задуматься о манипулировании активностью гена в растениях, чтобы сделать их более устойчивыми к изменению климата", — сказал Ко.

"Хотя PIR1 не является консервативным белком за пределами царства растений, вероятно, что другие виды используют схожие механизмы для контроля выбора "жизнь или смерть", — добавила Брандицци.

Открытие также имеет прикладное значение для биотехнологий: управление производством белков в ЭР важно для улучшения качества биомассы растений и использования их в качестве биореакторов для производства рекомбинантных фармацевтических белков, таких как антитела и вакцины.