Вчені розшифровують таємну мову квітів

Дослідницька група під керівництвом Університету Пердью почала перекладати складну молекулярну мову петуній. Граматика і словниковий запас цієї мови глибоко заховані в незліченних білках та інших сполуках, які населяють клітини квітів.

Будучи вкоріненими в землю, рослини не можуть втекти від комах, хвороботворних мікроорганізмів чи інших загроз їхньому виживанню. Але вчені-рослинники давно знають, що вони надсилають одне одному попередження за допомогою ароматичних хімічних речовин, які називаються летючими органічними сполуками.

«Вони використовують летючі речовини, тому що не можуть розмовляти, — каже Наталія Дударєва, заслужений професор біохімії та садівництва і ландшафтної архітектури в Пердью. «Рослини інформують сусідні рослини про напади патогенів. Це виглядає майже як імунізація. За нормальних умов ви не бачите жодних змін на рослині-реципієнті. Але як тільки рослина-реципієнт заражається, вона реагує набагато швидше. Вона готова до відповіді».

Вчені-рослинники вже давно знали про цей праймінг, подібний до імунізації, але ще кілька років тому у них не було можливості вивчити цей процес. Їм потрібен був маркер, який би показував, що рослини виявили леткі сполуки.

Нові відкриття в сигналізації рослин

Дударєва та 13 співавторів описують нові деталі процесу виявлення в статті, нещодавно опублікованій в журналі Science. До команди входять дослідники з Пердью, Університету Жана Моне Сент-Етьєна у Франції та Університету Каліфорнії в Девісі.

Вчені мало що знають про рослинні рецептори до фітонцидів. У ссавців і комах вони також є, але те, як вони сприймають леткі речовини, занадто різне, щоб допомогти дослідникам вивчити процес у рослинах, сказала Дударева. Дослідницька група під керівництвом вчених Університету Пердью задокументувала нові подробиці про те, як петунії використовують летючі органічні сполуки для спілкування.

Роль фітонцидів у захисті рослин

У 2019 році в журналі Nature Chemical Biology Дударєва та її колеги опублікували відкриття нового фізіологічного процесу «Природна фумігація як механізм транспорту летючих речовин між органами квітки». У дослідженні описано, як квіткові трубки рослини виробляють леткі сполуки для стерилізації стигми, частини маточки, яка збирає пилок, для захисту від нападу патогенів.

«На рильці багато цукру, особливо у петунії. Це означає, що без цих фітонцидів бактерії будуть розвиватися дуже добре», – сказала Дударєва. «Але якщо стигма не отримує летких речовин, які утворюються в трубці, вона також менша. Це був міжорганний зв’язок. Тепер у нас був хороший маркер — розмір стигми — для вивчення цього процесу спілкування».Вимірювання, зроблені за фотографіями, показали статистичні відмінності в розмірі стигми під впливом летючих речовин, сказала провідний автор дослідження Science Шеннон Стірлінг, доктор філософії. студент відділу садівництва та ландшафтної архітектури в Пердью. «Ви бачите, що це постійна тенденція», – сказала вона. «Подивившись на достатню кількість стигм, ви побачите на око, що є невелика різниця в розмірі».

Прорив у розумінні реакції рослин

У поєднанні з генетичними маніпуляціями з потенційними білками, задіяними, робота несподівано показала, що сигнальний шлях, подібний до каррикіну, відіграє ключову роль у клітинній сигналізації петунії.

«Каррикіни не виробляються рослинами», — сказав Стірлінг. «Вони утворюються, коли рослини горять, а наші рослини ніколи не піддавалися впливу диму чи вогню».

Команда також задокументувала важливість каррикіноподібного шляху у виявленні летючих сесквітерпенів. Багато рослин використовують сесквітерпени для спілкування з іншими рослинами, серед інших функцій.

Дивно, але ідентифікований рецептор каррикіну продемонстрував здатність вибірково сприймати сигнали від одного типу сесквітерпенової сполуки, але не від його дзеркального відображення, ця риса називається «стереоспецифічністю». Рецептор, здається, дуже селективний до сполуки, сказав співавтор дослідження Метью Бергман, докторант з біохімії в Пердью.

«Рослина виробляє багато різних летючих сполук і піддається впливу багатьох інших», — сказав Бергман. «Дуже дивно, наскільки вибірковим і специфічним є цей рецептор виключно для цього сигналу, що надсилається з труб. Така специфічність гарантує, що жодні інші нестабільні сигнали не пройдуть. Немає помилкових сигналів».

Методологічні виклики та інновації

Для Стірлінга дослідження вимагало опанування кропіткого методу тимчасової зміни рівнів білків у маточках петунії, щоб ідентифікувати взаємодію білка сигнал-рецептор. «Маточки і рильця маленькі. З ними трохи складно працювати через їхні розміри», – сказала вона. «Навіть величезна кількість клейм, яка вам потрібна, щоб отримати достатню кількість зразків для будь-чого, досить велика, тому що вони не дуже важать».

Цей метод передбачав ін’єкцію певного виду бактерії в стигму для введення цільових генів, а потім ізоляцію отриманих білків.

«Нелегко маніпулювати таким маленьким органом», — зазначив Бергман. «Але Шеннон зміг обережно вколоти стигму шприцом і так делікатно проникнути в неї цією бактерією. Вона справжній експерт у цьому».

Петунії часто яскраво забарвлені та приємно пахнуть, але вчені Пердью також цінують їх, оскільки вони служать плідною модельною системою для їхніх досліджень.