Мутации вызывают дефекты
Для их совместных исследований команда во главе с доктором. Юлия Гриммер из МЛУ и профессор Саша Багинский, заведующий кафедрой биохимии растений РУБ, использовали Arabidopsis thaliana в качестве модельного организма. «Это растение было детально изучено, и существует множество известных мутаций», – объясняет Джулия Гриммер. Две из этих мутаций вызвали особый интерес для исследовательской группы и сыграли решающую роль в открытиях, которые теперь описаны.
Одна из мутаций характеризуется нарушением импорта белка в хлоропласты. Хлоропласты зависят от импорта значительной части своих белков из цитоплазмы. «Дефект в импорте препятствует производству достаточного количества хлорофилла – растения не зеленые, это мутанты-альбиносы», – объясняет ведущий автор Джулия Гриммер. Другая мутация влияет на функцию так называемой протеасомы, белкового комплекса, ответственного за деградацию белков в цитоплазме.
У мутанта функциональность протеасомы изменена.
Двойной дефект повышает производительность
«Комбинация этих двух мутаций привела к новому фенотипу растения», – объясняет Саша Багинский. "Растения более зеленые, чем мутант-альбинос, и они проводят больше фотосинтеза. Это нас удивило, потому что это противоречит интуиции.
Если к первому добавляется второй дефект, функция улучшается.«Исследователи интерпретируют этот результат следующим образом: снижение деградации белков из-за протеасомной мутации означает, что в цитоплазме доступно больше белков хлоропластов. Несмотря на то, что транспорт нарушен из-за мутации импорта, некоторые белки все же могут транспортироваться в хлоропласты, где, таким образом, может образовываться больше хлорофилла, чем у растений-альбиносов. У нового двойного мутанта также больше тилакоидных стопок: именно здесь расположены функциональные фотосинтетические комплексы.
Исследования растений арабидопсиса дикого типа показали, что улучшение фотосинтетических характеристик из-за протеасомной мутации также происходит независимо от импортной мутации. «Мы предполагаем, что протеасома постоянно разрушает белки хлоропластов в цитоплазме, что, в свою очередь, защищает растение от потенциальных повреждений, вызванных чрезмерным фотосинтезом», – говорит Саша Багинский. Это означает, что растение тратит впустую энергию, которую можно использовать для создания биомассы, чтобы защитить себя.
Из-за мутации протеасомы, которая препятствует деградации белков в цитоплазме, этот ограничивающий фактор снижается, и фотосинтез становится более эффективным. «Поскольку все фотосинтезирующие организмы защищают себя с помощью схожих механизмов, мы предполагаем, что этот эффект может быть передан и высшим растениям», – считает биолог. Это потенциально может помочь повысить эффективность преобразования углекислого газа в биомассу растениями.
Комплексный протеомный анализ
Исследовательская группа основала свои выводы на комплексном анализе растительных белков в целом, так называемом протеоме.
Было идентифицировано несколько тысяч белков, и их соответствующие количества в различных мутантах были определены количественно. "Только очень немногие исследовательские группы могут сделать это с таким уровнем детализации. Это позволило нам задокументировать эффекты и понять их », – заключает Саша Багинский.