Cơ chế cảm biến nhiệt độ mới ở thực vật

Một protein gọi là phytochrom B có thể cảm nhận ánh sáng và nhiệt độ, kích hoạt sự phát triển của cây và kiểm soát thời gian ra hoa. Làm thế nào nó không được hiểu đầy đủ.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Communications , một nhóm các nhà sinh học tế bào dẫn đầu bởi Meng Chen, giáo sư khoa học thực vật và thực vật tại Đại học California, Riverside, tiết lộ phân tử phytochrom B có động lực bất ngờ được kích hoạt bởi nhiệt độ và hoạt động khác nhau tùy thuộc vào Nhiệt độ và loại ánh sáng.

Khi biến đổi khí hậu làm ấm thế giới, mô hình tăng trưởng cây trồng và thời gian ra hoa sẽ thay đổi. Hiểu rõ hơn về cách các phytochromes điều chỉnh nhịp điệu theo mùa của sự tăng trưởng thực vật sẽ giúp các nhà khoa học phát triển cây trồng để tăng trưởng tối ưu dưới khí hậu mới của Trái đất và thậm chí có thể làm sáng tỏ bệnh ung thư ở động vật.

Phytochromes chuyển đổi giữa các hình thức hoạt động và không hoạt động như một công tắc nhị phân được kiểm soát bởi ánh sáng và nhiệt độ. Trong ánh sáng mặt trời trực tiếp, chẳng hạn như trong các trường mở, phytochromes bật “bật”, hấp thụ ánh sáng đỏ xa. Dạng hoạt động này ức chế sự kéo dài thân làm hạn chế cây cao dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp có thể phát triển như thế nào.

Trong bóng râm phytochromes ít hoạt động, hấp thụ màu đỏ. Hình thức “tắt” này giải phóng sự ức chế sự phát triển của thân cây vì vậy cây phát triển cao hơn trong bóng râm để cạnh tranh với các cây khác để có nhiều ánh sáng mặt trời hơn.

Trong tế bào, ánh sáng làm cho các phytochrome “bật” kết hợp thành các đơn vị gọi là photobody bên trong nhân tế bào. Khi phytochrom B tắt, nó nằm bên ngoài nhân tế bào. Nó di chuyển bên trong nhân khi “bật” và thay đổi biểu hiện của gen và mô hình tăng trưởng.

Những thay đổi trong ánh sáng làm thay đổi kích thước và số lượng của tất cả các tiêu điểm. Nhóm của Chen hiện đã cho thấy nhiệt độ thay đổi trọng tâm cá nhân.

Nhóm của ông đã kiểm tra hành vi của các tế bào tiếp xúc với các điều kiện nhiệt độ và ánh sáng khác nhau từ lá và thân cây Arabidopsis thaliana, một loại cây được sử dụng làm mô hình chuẩn trong khoa học thực vật học. Mục tiêu là theo dõi sự thay đổi của photobody theo nhiệt độ.

Sự hiểu biết hiện tại là phytochromes hình thành các photobody chỉ ở trạng thái “bật”.

Chen và các đồng tác giả Joseph Hahm, Keunhwa Kim và Yongjian Qiu, thành viên nhóm nghiên cứu của Chen tại UC Riverside dự kiến ​​việc tăng nhiệt độ sẽ có tác động tương tự như bóng râm – nó sẽ tắt “phytochromes”. Họ nghĩ rằng các photobody sẽ biến mất như trong bóng râm.

Kết quả hoàn toàn bất ngờ.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy việc tăng nhiệt độ không khiến tất cả các photobody biến mất cùng một lúc. Thay vào đó, các photobody cụ thể biến mất trong các phạm vi nhiệt độ cụ thể. Tăng nhiệt độ tăng dần số lượng photobody khi chúng biến mất có chọn lọc.

Chen chia sẻ: “Chúng tôi thấy rằng một tập hợp các photobody chịu nhiệt có thể tồn tại ngay cả ở nhiệt độ ấm áp. Phần còn lại của các tiêu điểm sẽ biến mất ở mỗi giai đoạn nhiệt độ thấp hơn. Trước đây chúng tôi nghĩ rằng tất cả các tiêu điểm đều giống nhau, nhưng bây giờ chúng tôi biết tất cả chúng đều khác nhau.”

Cơ chế làm cho chúng biến mất có chọn lọc phải khác với cơ chế làm cho chúng biến mất trong bóng râm. Điều này cho thấy các photobody riêng lẻ có thể là cảm biến cho các phạm vi nhiệt độ cụ thể.

Nghiên cứu cũng cho thấy phytochrom B phản ứng với nhiệt độ từ hai vị trí khác nhau trên phân tử. Phần đầu tiên cảm nhận nhiệt độ; phần thứ hai hình thành trọng tâm. Foci hình thành bởi vị trí thứ hai này không nhạy cảm với nhiệt độ. Điều này cho thấy ánh sáng và nhiệt độ được cảm nhận bởi cùng một phần của phân tử nhưng dẫn đến các hành vi khác nhau.

Photobody là những phức hợp protein lớn, năng động. Kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng mỗi trong số chúng có thể có một thành phần khác nhau. Những gì các nhà khoa học nghĩ là thành phần độc đáo của từng photobody làm cho chúng phản ứng với nhiệt độ khác nhau. Các nghiên cứu trong tương lai về việc tìm hiểu các tính năng độc đáo của từng photobody sẽ có khả năng phát hiện ra các cơ chế cơ bản của cảm biến nhiệt độ và điều chỉnh biểu hiện gen phản ứng nhiệt độ ở thực vật.

Ngoài việc giúp phát triển các loài thực vật sẽ phát triển mạnh trong một thế giới ấm lên, công việc này có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu thêm về bệnh ung thư ở động vật. Protein trong tế bào động vật cũng hình thành các mối liên quan theo cách nào đó đối với bệnh ung thư,nhưng vai trò của chúng trong biểu hiện và điều hòa gen là không rõ.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Riverside . Bản gốc được viết bởi Holly Ober. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Joseph Hahm, Keunhwa Kim, Yongjian Qiu, Mạnh Chen. Tăng nhiệt độ môi trường xung quanh dần dần tháo rời Arabidopsis phytochrom B khỏi các photobody riêng lẻ với khả năng điều nhiệt riêng biệt . Truyền thông tự nhiên , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-15526-z