Прорастание семян контролируется несколькими гормонами растений, которые интенсивно исследуются. Однако мало что было известно о процессах, которые должны происходить, чтобы гормоны могли функционировать.
Как становится доступной энергия в семени? Как можно рано и эффективно запустить энергетический обмен?
Эти вопросы изучает международная группа исследователей.
Используя новый тип флуоресцентных биосенсоров, исследователи наблюдали в живых клетках семян как энергетический метаболизм, так и так называемый окислительно-восстановительный метаболизм, в основе которого лежит сера. Исследователи обнаружили, что, когда семена вступают в контакт с водой, энергетический обмен устанавливается за считанные минуты, а «электростанции» растительных клеток, известные как митохондрии, активируют их дыхание. Исследователи также выяснили, какие молекулярные переключатели активируются для эффективного высвобождения энергии, при этом центральную роль играют так называемые тиол-окислительно-восстановительные переключатели.
«Изучая самые ранние процессы контроля прорастания, мы можем лучше понять механизмы, управляющие прорастанием семян», – говорит проф. Маркус Шварцландер из Мюнстерского университета (Германия), руководивший исследованием. «В будущем мы могли бы подумать о том, как такие переключатели могут быть использованы в биотехнологии сельскохозяйственных культур.«Результаты исследования могут иметь значение в сельском хозяйстве, когда семена должны сохранять свою силу прорастания как можно дольше, с одной стороны, но также должны прорастать синхронно и с минимальными потерями, с другой стороны. Исследование опубликовано в журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Предпосылки и метод
Чтобы иметь возможность наблюдать за действиями, происходящими в энергетическом обмене, исследователи визуализировали под микроскопом аденозинтрифосфат (АТФ), общую валюту энергии в клетке, и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН), энергию электронов, в митохондриях. Они сравнили семена тале-кресс-салата: как сухие, так и «пропитанные» водой семена.
Чтобы выяснить, важны ли переключатели окислительно-восстановительного потенциала для быстрого прорастания, исследователи деактивировали определенные белки с помощью генетических методов, а затем сравнили реакцию, показанную модифицированными семенами, с реакцией немодифицированных. Исследователи позволили семенам искусственно стареть в лаборатории и увидели, что семена прорастают гораздо менее активно, если им не хватает соответствующих белков.
Следующим шагом исследователей стал так называемый окислительно-восстановительный протеомный анализ.е. они полностью исследовали соответствующие окислительно-восстановительные белки с использованием биохимических методов. Для этого они изолировали активные митохондрии и мгновенно заморозили их, чтобы иметь возможность изучать это состояние непосредственно там, где происходил процесс. Затем исследователи использовали методы масс-спектрометрии, чтобы идентифицировать несколько так называемых цистеин-пептидов, которые важны для эффективности использования ресурсов в энергетическом обмене.
«Процесс можно сравнить с системой управления дорожным движением в большом городе.
Перед часом пик – я.е. прорастание – начинается, что выводит большое количество метаболитов «на дорогу», светофор и системы маршрутизации необходимо включать утром; и здесь это делается с помощью тиоловых окислительно-восстановительных переключателей », – объясняет ведущий автор Dr. Томас Ницель, который проводил большую часть экспериментов в рамках своей докторской степени в Институте растениеводства и сохранения ресурсов при Боннском университете, а затем в качестве постдокторанта в Институте биологии и биотехнологии растений при Университете Мюнстера.