Laikrodžių genų atradimas augaluose, kurie reguliuoja cikadienį ritmą

Anonim

Augalai paruošiami šaltiems vakarams sukelti biologinius procesus, tokius kaip jų stomatų uždarymas ir vaško sintezė, siekiant išvengti vandens praradimo. Biologai parodė, kad šiuos procesus, kuriuos sukelia genai, išreikšti vakare, iš tikrųjų reguliuoja laikrodžio baltymai, kurie gaminami saulėtekio metu. Tolesnis šių laikrodžių valdomų procesų supratimas gali paskatinti augalų augimą klimatuose, kurie skiriasi nuo jų kilmės.

Daugumai organizmams, norint prisitaikyti prie dienos ir nakties pakaitos, kurią sukelia žemės sukimas, yra cirkadinis laikrodis (biologinis laikrodis), kurį reguliuoja jų genai. Nepaisant to, genų, susijusių su augalų cirkadaniniu laikrodžiu, sąveika vis dar nėra visiškai suprantama.

Naujame tyrime, paskelbtame internete žurnale " Plant Cell", biologų komanda, vadovaujama Norihito Nakamichi, transformatorinių bio-molekulių instituto (WPI-ITbM) Nagojos universitete, atskleidė, kad vakare gaminami laikrodžių genai yra reguliuojami ryte pagaminti laikrodžio baltymai.

Komanda taip pat atrado, kad šie vakariniai laikrodžių genai yra atsakingi už augalų biologinius procesus, kad jie galėtų reaguoti į aplinką vakare. Vakarais paruošiant šaltai temperatūrai, augalai parengia atsaką į sausros stresą, perduoda augalų hormonų signalus, reguliuoja savo stomatų atidarymą ir uždarymą ir gamina vašką, kad būtų išvengta vandens praradimo.

Daugelis pasėlių, kuriuos mes šiandien matome, yra atrinktos rūšys su optimizuotomis savybėmis, kurias reguliuoja jų laikrodis. Pavyzdžiui, Japonijoje ankstyvosios žydinčios kviečių veislės auginamos taip, kad jas būtų galima nuimti iki lietaus sezono. Ankstyvosios žydinčios veislės buvo sukurtos dėl moduliacijos cirkadanų su laikrodžiu susijusių genų. Nakamichi ir jo kolegų atradimas pagrindinių laikrodžių genų, skirtų atsparumo sausrai augalams, rinkinys gali sudaryti sąlygas generuoti optimizuotas augalų rūšis tam tikrose aplinkose, kai keičiamas cirkadano laikrodis.

Daugelio organizmų laikrodžio laikrodis yra maždaug 24 valandų ciklas. Augaluose jie naudoja savo cirkadinį laikrodį, kad tinkami biologiniai procesai vyktų tinkamu dienos laiku. Pavyzdžiui, staigus dienos šviesos metu generuojamos reaktyvios deguonies rūšys, kurios yra toksiškos augalams, todėl augalai pradeda sintetinti molekules, kurios prieš saulėtekį pašalins reaktyviosios deguonies rūšis.

Per pietus augalai patys pasiruošę kovoti su šalčio temperatūra, kuri tęstų saulėlydį. Tokiu būdu augalai naudoja savo biologinį laikrodį, kad iš anksto reaguotų į aplinkinių aplinkybių pokyčius, kuriuos sukelia laiko skirtumai.

Laikoma, kad cirkadinis laikrodis sudarytas iš abipusio daugelio genų reguliavimo, bet šis sudėtingas genų ir molekulių tinklas nebuvo visiškai išaiškintas. Norihito Nakamichi, ITbM mokslų daktaras ir šio tyrimo lyderis, kuris nuo 2004 m. Atlieka gamyklos cirkadaninį laikrodį, nusprendė ištirti, kaip įvairūs biologiniai įvykiai reguliuojami laikrodžiu. "Priežastis, kodėl man domisi biologinio laikrodžio studija, yra tai, kad man tikrai patinka logika, kaip įvairius biologinius procesus sukelia kompleksinis laikrodžių tinklas", - sako Nakamichi.

"Nuo 2011 m. Mes stengiamės rasti pagrindinį veiksnį, reguliuojantį požemio transkribuotą geną", - sako Nakamichis. Grupė naudojo PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 5 (PRR5), kuris yra modelio augalo laikrodžio genas Arabidopsis thaliana.

"Pirmiausia mes teigėme, kad CCA1, kuris yra laikrodžio baltymas, sukurtas per saulėtekį, susiejamas su konkrečia DNR seka, kuri dalyvauja tikslinio geno PRR5 ekspresijoje", - apibūdina Nakamichi. "Mes surinkome CCA1 baltymą, sujungtą su DNR, taikydama metodą, vadinamą chromatino imunopretinimas (ChIP), ir ištyrėme DNR seką greitų DNR sekų nustatymu." Nors greita DNR sekvencija yra žinoma technika, išsami DNR sekos analizė gali būti gana sudėtingas procesas.

"Mes turėjome daug kartų eiti pirmyn ir atgal, kol sugebėjo nustatyti, kad PRR5 genas dažniausiai pasirodo reguliavimo regione", - tęsia Nakamichi. "Aš buvau labai sužavėtas, kai išvydau duomenis, leidžiančius manyti, kad CCA1 baltymas tiesiogiai veikia reguliuojamą PRR5 geno zoną ir turi didelę įtaką".

Be to, nustatyta grupė augalo ląstelės chromosomos, tikslinės DNR srities CCA1 laikrodžio baltymų. "Mes radome daugybę genų, kurie yra išreikšti vakare netoli DNR regiono, prie kurio CCA1 prisijungia", - aiškina Nakamichi. Kai kurie iš šių genų yra atsakingi už augalo atsaką į sausros stresą, signalų iš augalo hormono perdavimą, abscisinės rūgšties, stomatų atidarymo ir uždarymo reguliavimą bei vaško gamybą. "Mūsų tyrimų rezultatai rodo, kad CCA1 baltymas sukelia tokius biologinius procesus tam tikru laiku vakare".

"Augalai turi sudėtingą laikrodžių sistemą, kur tinkami dienos metu vyksta tinkami biologiniai procesai. Jei CCA1 baltymas neveikė ryte, augalas pradės ruoštis šaltuoju ir išvengti vandens praradimo per dieną", - sako jis. Nakamichi. "Gebėjimu tinkamu laiku įjungti ir išjungti laikrodžio baltymų funkciją, tai gali palengvinti augalų augimą, kuris yra pritaikomas skirtinguose klimatuose", - teigia jis.

"Daugybė augalų yra susiję su cirkadano laikrodžiu. Daugelis iki šiol atrinktų pasėlių iš tiesų yra tie, kurie turėjo netikėtus natūralius ar dirbtinius pokyčius genų, kurie valdo cirkadaninį laikrodį", - sako Nakamichi. "Mes tikime, kad mūsų darbas prisidėjo prie tolesnio" Arabidopsis thaliana "molekulinės cirkuliarinės laikrodžio mechanizmo supratimo, ir mes tikimės, kad tai padės tinkamai sureguliuoti cirkadaninį laikrodį daugelyje kitų augalų rūšių".

menu
menu