В онлайн-журнале eLIFE большая международная группа ученых во главе с исследователями из Института биологических исследований Солка проследила тысячи генов в растении, которые активируются, когда этилен, газ, который действует как гормон роста растений, выпущенный.
Исследователи говорят, что это исследование, первый такой всеобъемлющий геномный анализ биологического триггера этилена, может привести к серьезным практическим применениям. Этилен не только способствует созреванию фруктов, но и регулирует рост и помогает защитить растение от болезнетворных микроорганизмов, а также выполняет множество других функций.
Выделение конкретных генов, которые выполняют каждую из этих дискретных функций, из множества генов, которые, как было установлено, активируются этиленом, может позволить ученым создавать штаммы растений, которые при необходимости замедляют рост, ускоряют или предотвращают созревание, замедляют гниение или делают растения более устойчивыми к болезням. – говорит старший следователь Джозеф Р. Эккер, руководитель лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка.
«Теперь, когда мы знаем гены, которые в конечном итоге активирует этилен, мы сможем идентифицировать ключевые гены и белки, участвующие в каждом из этих ответвлений, и это может помочь нам управлять дискретными функциями, которые регулирует этот гормон», – говорит Эккер.
По общему мнению, для расшифровки генетических путей, которые активирует этилен, потребовались титанические усилия – в одном участвовали четыре учреждения и 19 исследователей, многие из которых обычно работают в области биологии человека. Например, Эккер пригласил специалистов по компьютерным наукам из Университета Карнеги-Меллона Зива Бар-Джозефа, эксперта по транскрипции Тимоти Хьюза из Университета Торонто, а также вычислительного биолога Трея Идекера и специалиста по геномике Бинг Рена из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Это исследование также является важной вехой для Эккера, посвятившего свою карьеру изучению силы этилена растительного происхождения.
«В течение нескольких десятилетий я пытался понять, как простой газ – два атома углерода и четыре атома водорода – может вызвать такие глубокие изменения на заводе», – говорит Экер. "Теперь мы видим, что, изменяя экспрессию одного белка, этилен производит каскадные волны активации генов, которые глубоко меняют биологию растения."
Он добавляет, что хотя изучаемым ими растением является Arabidopsis thaliana, родственный капусте и горчице, этилен действует как ключевой гормон для всех растений.
Исследователи изучили, что происходит у арабидопсиса после того, как газообразный этилен вызывает активацию EIN3, основного фактора транскрипции – белка, контролирующего экспрессию генов, – который Эккер обнаружил и клонировал в 1997 году. EIN3 и родственный белок EIL1 необходимы для реакции на газообразный этилен; без этих белков этилен не действует на растения.
«Мы хотели узнать, как этилен на самом деле выполняет свою работу», – говорит Экер. "Когда растение реагирует на этилен, активируя EIN3, что происходит?
Какие гены включены? И что делают эти гены?"
Используя метод, известный как ChIP-Seq, исследователи подвергли арабидопсис воздействию этилена и идентифицировали все области генома растения, которые связаны с EIN3, что потребовало использования секвенирования следующего поколения.
Затем они использовали полногеномное секвенирование мРНК, чтобы идентифицировать те целевые гены, экспрессия которых фактически изменяется из-за взаимодействия с EIN3. «Не все гены, нацеленные на EIN3, имеют изменения в экспрессии генов», – говорит Экер.
Они обнаружили, что тысячи генов в растении реагируют на EIN3.
Тогда следователи обнаружили две интересные вещи. Во-первых, когда EIN3 активируется этиленом, он снова начинает контролировать гены в пути, которые использовались для активации фактора транскрипции EIN3 в первую очередь. «Это говорит нам о том, что завод, производящий критически важный главный регулятор, такой как EIN3, хочет держать этот процесс производства под очень жестким контролем», – говорит Экер. «Мы этого не ожидали, и теперь это дает нам стратегию понимания генетического контроля над другими гормонами растений."
Второе открытие заключается в том, что EIN3 нацелен на все другие пути передачи сигналов гормонов в растении.
Экер предлагает аналогию, чтобы понять причины: «Представьте, что вы находитесь в студии звукозаписи, и перед вами стоит один из тех столов, на которых есть все эти переключатели. Если вы начнете поднимать шкалы для одного звукового эффекта, вы, вероятно, уменьшите циферблат для другого звука.
«Если этилен говорит растению прекратить рост, он должен контролировать другие гормоны, которые говорят растению расти», – говорит он. «Мы обнаружили, что около половины геномных мишеней белка EIN3 обнаруживаются в других путях передачи сигналов гормона."
По словам Экера, контроль этих гормонов с помощью EIN3 очень сложен и осуществляется в течение 24-часового периода, в течение которого происходят четыре каскадных волны регуляции транскрипции. Помимо понимания того, как этилен генетически контролирует различные функции в растении, он добавляет, что результаты исследования предоставляют шаблон, с помощью которого можно расшифровать работу других растительных гормонов, ни один из которых не был изучен так же хорошо, как этилен.
«Изучение того, как растения координируют гормональные реакции, важно для понимания их регуляции роста и развития, будь то прорастание семян, созревание плодов или реакция на засуху, насекомых или патогены», – говорит Кэтрин Чанг, первый автор статьи и исследователь. в лаборатории Эккера. "Таким образом, отображение взаимосвязей между гормональными путями может иметь значение в сельском хозяйстве."
Исследование финансировалось за счет грантов Министерства энергетики (DE-FG03-00ER15113, DE-FG02-04ER15517), Национального научного фонда (MCB-0924871), Канадского института исследований в области здравоохранения (MOP-111007), Национального научного фонда, завода Системная биология IGERT (DGE-0504645), Фонд Гордона и Бетти Мур (грант GBMF3034), Стипендия Гейтса Миллениум, Национальные институты здравоохранения (1RO1 GM085022), Национальные институты здравоохранения, NRSA (F32- HG004830), Медицинский институт Говарда Хьюза и Национальный научный фонд (MCB-1024999).
Соавторы: Кэтрин Ноэлани Чанг, Мэтью Т. Вейраух, Маттиа Пелиццола, Хай Ли, Роберт Дж. Шмитц, Марк А. Ульрих, Хун Цяо, Абдулла-Джамали, Шао-Шань Кэрол Хуанг, Джозеф Р. Нери и Хуамин Чен из Солка; Гэри Хон, Дуайт Куо, Трей Идекер и Бинг Рен из Калифорнийского университета в Сан-Диего; и Элли Ян из Университета Торонто.