科学家发现植物如何做出生死抉择的奥秘


  发布日期: 2024年08月09日

  来源:AAAS

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科学家发现植物如何做出生死抉择的奥秘

密歇根州立大学的研究人员发现了两种蛋白质,它们共同作用,决定了植物中面临某些压力的细胞的命运。

具有讽刺意味的是,最近发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的这一发现的一个关键发现,是在项目负责人准备减压的时候做出的。

博士后研究员Noelia Pastor-Cantizano在乘公共汽车去机场,准备度假的时候,决定分享她一天前参与收集的一个有希望的结果。

“我不想等上十天再回来寄。”Pastor-Cantizano说,她当时在密歇根州立大学doe植物研究实验室(PRL)的Brandizzi实验室工作。

“这就是我当时记得的,我在想,‘我现在可以放松了,至少一个星期。’”

Pastor-Cantizano一直致力于在模式植物拟南芥中识别一种基因,这种基因可以控制植物对压力源的反应,从而导致植物死亡。她和她的合作者在拟南芥中发现了一种蛋白质,这种蛋白质似乎控制着植物在压力条件下的生存或死亡。

发现这种基因只是故事的开始,尽管这一过程已经进行了数年。这篇新论文又花了五年的时间。

研究人员发现,蛋白质bon相关蛋白2 (BAP2)和肌醇需要酶1 (IRE1)在处理压力条件时协同工作——这是植物细胞生死攸关的问题。

了解这些蛋白质的功能可以帮助研究人员培育出更能适应死亡条件的植物。

培育更能抵抗内质网胁迫或内质网胁迫的植物,在农业中具有广泛的意义。如果作物能够在干旱或高温条件下变得更有弹性,那么尽管气候变化,植物仍有更好的生存和繁荣的机会。

密歇根州立大学植物生物系和PRL研究基金会教授Federica Brandizzi说:“我们实验室的研究是由能够为科学做出重要贡献的热情和感激所推动的。”“这项工作是艰巨的,多亏了一个优秀团队的耐心、热情和奉献。诺埃莉娅简直太棒了。”

协同工作

真核细胞内有一种称为内质网(ER)的细胞器。它产生蛋白质,并将它们折叠成细胞可以利用的形状。就像把蔬菜切成小块用于烹饪一样,蛋白质在被使用之前必须先形成正确的形状。

蛋白质制造和蛋白质折叠能力必须保持平衡,就像副厨师和厨师一样,协同工作。如果副厨师长给厨师提供的食材太少或太多,就会破坏厨房的平衡。

当内质网不能正常工作,或者失衡时,它就会进入一种被称为内质网应激的状态。细胞将启动一种被称为未折叠蛋白反应(UPR)的机制来决定下一步该做什么。如果问题可以解决,细胞将主动采取挽救生命的措施来解决问题。如果不能,细胞开始关闭,结束它的生命,也可能结束植物的生命。

众所周知,IRE1酶负责指导拯救细胞或杀死细胞的机制。

但是,是什么促使IRE1采取行动呢?

在这项研究中,Brandizzi实验室的研究人员正在寻找这些促死亡过程的主要调节器,即所谓的程序性细胞死亡。

Brandizzi说:“我之所以有这个想法,是因为我读到肠易激病与人类中IRE1控制基因的突变有关。”“人类是多种多样的,植物也是如此。所以我想把植物多样性作为普遍定期审议中新的重要发现的来源。”

研究人员首先观察了数百种植物,即同一物种但特定于一个地区的植物。例如,一种生长在哥伦比亚的植物与生长在西班牙的同一种植物具有遗传变异,它们对压力条件的反应方式可能不同。

他们发现在不同的环境中,对内质网压力的反应有很大的差异。选取那些反应最不相似的人,他们试图确定他们基因组中的差异。这就是BAP2候选基因发挥作用的地方。

“我们发现BAP2对内质网压力有反应,”目前在瓦伦西亚大学做博士后的Pastor-Cantizano说。“最酷的是,它能够控制和修改IRE1的活动。但IRE1也能够调节BAP2的表达。”

BAP2和IRE1一起工作,向彼此发出信号,告诉对方细胞的最佳行动方案是什么。当内质网平衡失衡时,只有一个而没有另一个会导致植物死亡。

七年

从开始到结束,这个项目花了七年多的时间。

日复一日,研究人员无聊地把种子放在培养皿上,培养皿中有一种培养基可以让它们生长。拟南芥种子最小的时候也不比沙粒大多少,所以这是一项需要时间和精力的精细工作。

从那以后,研究人员又花了几个月的时间研究这些植物,观察它们的后代,并确定BAP2在植物中的作用。这又花了几年时间。

“这是一条充满障碍的漫长道路,但这是值得的。“当我开始这个项目时,我无法想象它会如何结束。”

 

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