Seemnete idanemine sõltub paljudes taimedes valgusest. Kuid mitte alati: Aethionema arabicum, keeruliste keskkonnatingimustega kohanenud taim, teeb seda omal moel. Siin mängivad fütokroomid, punase ja kaugpunase valguse retseptorid seemnete idanemisel ootamatut rolli ja ajavad selle protsessi optimaalse hooajani.
Need leiud, mis on nüüd avaldatud aastal Taimede füsioloogia, on veenev näide signaalimoodulite evolutsioonilisest ümberkorraldamisest, mis aitavad taimedel oma elupaikadega kohaneda. Uuringut juhtisid Austria Teaduste Akadeemia Gregor Mendeli Molekulaarse Taimebioloogia Instituudi (GMI) teadlased.
Kuigi mõned istutada seemneid vajavad idanemiseks valgust, teised seemned ei ole valgusele tundlikud või isegi pärsivad seda. Enamik teadmisi valguse rollist ajal seemnete idanemine tulenevad uuringutest, milles kasutati mudelorganismi Arabidopsis thaliana, kus idanemise käivitamiseks on vaja valgust.
Seevastu teistes taimedes on valgus tugev idanemise pärss, kuid selle mõju molekulaarne alus on jäänud suures osas teadmata. Gregor Mendeli Instituudi (GMI) teadlaste rühm, mida juhtis dr Zsuzsanna Mérai, kasutas nüüd taime Aethionema arabicum (Brassicaceae), et uurida valguse pärssimise molekulaarset mehhanismi. seeme idanemist.
Aethionema arabicum pärineb avatud ja kuivadest elupaikadest, kus seemnete idanemine pinnal eredatel, pikkadel ja kuumadel päevadel vähendab seemikute ellujäämise võimalusi. Valgust idanemise pärssimist tõlgendatakse kui omadust, mis piirab idanemist jahedamatel aastaaegadel või maa all asuvate seemnetega.
Mérai ja tema kolleegid näitasid oma uuringus, et fütokroomidel, punase ja kaugpunase lainepikkuse valguse retseptoritel, on Aethionema valgusele reageerimisel kahekordne roll; need võivad idanemist stimuleerida, aga ka pärssida. Mõõtes valguse intensiivsus ja kestuse kaudu fütokroomide kaudu saavad seemned infot päeva pikkuse ja sellega aastaaja kohta.
Küprose variant aitab mõista valguse pärssimist
Mérai ja tema kolleegid kasutavad Küproselt (CYP) pärit ühe Aethionema variandi seemneid, mis valge valgusega kokkupuutel ei idane. Selle looduslik elupaikCYP variant idaneb ainult varakevadel, kui päevad on suhteliselt lühikesed ja temperatuur on jahe. See võimaldab taimel oma elutsükli lõpule viia enne kuiva suvehooaega.
Mérai püüdis uurida valguse inhibeerimise mehhanismi Aethionema CYP-s, luues mutageensete seemnete kollektsiooni, mida nad skriiniti mutantide suhtes, mis võivad erinevalt algsest liinist idaneda ka valges valguses. Nüüd iseloomustasid teadlased ühte mutanti molekulaarsel tasemel.
Nad nimetasid seda "koy-1" türgi mütoloogia päikesejumala Koyashi järgi. Nad näitasid, et selle mutatsioon mõjutas HEME OXYGENASE 1, võtmegeeni, mis on vajalik kromofooride, fütokroomide valgust tuvastavate molekulide biosünteesiks. See mutatsioon piirab kromofoorvalgu kogust ja vastutab koy-1 muutunud valgustundlikkuse eest.
Fütokroomide kahekordne roll võimaldab kohaneda keskkonnaga
Koy-1 mutant võimaldas Mérail ja tema kolleegidel avastada täiendavaid mehaanilisi üksikasju. "Valguse intensiivsuse, lainepikkuse ja kestuse muutmisega suutsime lahutada keerulisi valgusreaktsiooni mustreid, mis on seotud Aethionema fütokroomidega," ütleb Mérai. Aethionema seemnete idanemises.
Nende katsed näitasid, et kõrge valguse intensiivsus ja kestus pärssisid tugevalt idanemist, samas kui lühike kokkupuude soodustas idanemist. Need kaks vastupidist reaktsiooni valgusele tulenevad kahe peamise hormooni erinevatest proportsioonidest: idanemist inhibeeriv abstsitsiinhape (ABA) versus idanemist indutseeriv giberelliinhape (GA).
"Me juba teadsime, et valgusega kokkupuude Arabidopsisega põhjustas kõrge GA ja madala ABA taseme. Nüüd teame ka, et Aethionema CYP reageerib väga piiratud valguses sarnaselt. Suureneva kiirgustiheduse korral läheb hormoonide tase aga sõna otseses mõttes tagurpidi, mille tulemuseks on idanemise pärssimine, ”ütleb Mérai. "Vastupidistel reaktsioonidel valguse intensiivsusele ja kestusele on geneetiline alus ja need on kohanemine taimede loodusliku keskkonnaga, võimaldades Aethionema CYP-l idaneda varakevadel, kuid mitte hiljem."
Evolution töötab ümberjuhtmestusmoodulitega
Selgitades, et samad molekulaarsed mängijad võivad vahendada diametraalselt vastandlikke mõjusid, dokumenteerib meeskond, kuidas evolutsioon võis olemasolevaid mooduleid ümber ühendada, et need vastaksid adekvaatselt keskkonnanõuetele. Selliste kombinatoorsete variatsioonidega, mis on dokumenteeritud mitmes organismis, võib evolutsioon saavutada "kiireid" muutusi, ilma et oleks vaja uusi mängijaid nullist areneda.
"Meie leiud sillutavad teed molekulaarsete protsesside paremaks mõistmiseks looduses ja bioloogilises mitmekesisuses, uurides mittemudelorganisme ja mittekultuurtaimi. Arabidopsisest saadud teaduslikud teadmised on olulised, kuid mitte alati esindavad kõiki taimi. Siin demonstreerime, et võiksime looduses avastada isegi täiesti vastandlikke molekulaarseid mehhanisme,“ järeldab Mérai, kelle töö loob Aethionema uue mudeli valguse mõju uurimiseks seemnetele. idanemine.