Rośliny muszą być w stanie komunikować się ze sobą — wysyłając sygnały z liści, korzeni i kwiatów — aby mogły koordynować wzrost i optymalizować wykorzystanie zasobów. Muszą także komunikować się z innymi roślinami i organizmami, co osiągają poprzez uwalnianie lotnych związków organicznych (LZO), maleńkich cząsteczek, które często kojarzą się z wyraźnymi zapachami. Naukowcy wiedzą dużo o tym, jak rośliny emitują te sygnały zapachowe, jednak niewiele wiadomo o tym, jak je odbierają i interpretują.

Badanie, którego współautorem są naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego, Davis dostarcza wglądu w to, jak rośliny „pachną”. Wykorzystując połączenie genetyki, biochemii i biologii strukturalnej, naukowcy wykazali, że rośliny petunii odbierają sygnały molekularne emitowane przez pączkujące kwiaty za pośrednictwem receptorów KAI2. Bez tych receptorów rośliny nie były w stanie odbierać sygnałów wysyłanych przez pąki kwiatowe, w wyniku czego ich rozwój był zahamowany i wytwarzały mniej nasion. Praca ukazała się 21 marca w Nauka.

„Wiemy, że rośliny kwitnące wytwarzają pewne LZO w celu obrony lub przyciągnięcia zapylaczy” – powiedział współautor Nitzan Shabek, profesor nadzwyczajny w Zakładzie Biologii Roślin. „Ale interesujące jest to, że cząsteczki te są również powiązane z wewnętrzną komunikacją roślin”.

Badanie było efektem współpracy laboratorium biologii strukturalnej i biochemii roślin Shabeka oraz badaczy roślin z Uniwersytetu Purdue. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis Shabek współpracował ze studentką Angeliką Guercio i stażystą podoktorskim Fuai Sun.

Kolejna rola roślinnych czujników dymu

Współpracownicy Shabeka z Purdue odkryli wcześniej, że petunie podczas kwitnienia „samoczynnie fumigują” LZO zwanymi terpenami i że fumigacja ta jest powiązana z liczbą nasion, które następnie produkują. Nie wiedzieli jednak, w jaki sposób petunie postrzegają te terpeny na poziomie molekularnym ani jak to postrzeganie prowadzi do zmian w produkcji nasion.

W nowym badaniu zespół wykorzystał metody testów genetycznych, aby wykazać, że reakcja petunii na terpeny była powiązana ze zmianami w produkcji białka, które zwykle są związane z ekspozycją na związki zawarte w dymie zwane „karrikinami”. To skłoniło ich do zbadania receptorów KAI2 postrzegających karrikinę, które Shabek Lab badało na poziomie molekularnym. Ponieważ receptory KAI2 występują we wszystkich roślinach lądowych – także tych, które nie żyją w strefach pożarów – badacze spekulują, że muszą one odgrywać jakąś inną rolę, ale do tej pory nie była ona znana.

Analiza strukturalna i biochemiczna Shabeka ujawniła, że ​​petunie są nosicielami dwóch klas receptorów KAI2 i ta jest ważniejsza dla percepcji terpenów.

„Nasze badanie dostarcza kolejnej warstwy naszego zrozumienia sygnalizacji KAI2” – powiedział Shabek. „Odkryliśmy, że jeden z receptorów KAI2 petunii jest ważny dla postrzegania tych hormonopodobnych lotnych związków”.

Od sygnalizacji do nasion

Korzystając z inżynierii genetycznej, naukowcy wykazali, że rośliny potrzebowały zarówno KAI2, jak i środków do produkcji określonego terpenu (germakrenu-D), aby wytworzyć znamiona i słupki (struktury reprodukcyjne roślin), które są niezbędne do produkcji nasion. Bez funkcjonalnych receptorów KAI2 rośliny wytwarzały tylko o około jedną trzecią do połowy mniej nasion na kwiat.

„Kiedy KAI2 dostrzega te cząsteczki, następuje kaskada zdarzeń, które ostatecznie zmieniają całą architekturę genetyczną rośliny” – powiedział Shabek. „Jedna z tych zmian architektonicznych jest związana z rozwojem słupków i piętna i można ją prześledzić aż do nasion”.

W przyszłych badaniach Shabek planuje w dalszym ciągu badać rolę receptorów KAI2 w sygnalizacji roślin i innych funkcjach molekularnych, takich jak mechanizmy wykrywania korzeni, które przyciągają symbiotyczne grzyby glebowe.

„Będziemy kontynuować badanie tej ścieżki i próbować zbadać różne warstwy, od poziomu molekularnego po poziom roślinny” – powiedział Shabek.

Praca jest częścią ciągłej współpracy z Natalią Dudarevą z Purdue University. Dodatkowymi autorami badania są: Shannon Stirling, Ryan Patrick, Xing-Qi Huang, Matthew Bergman, Varun Dwivedi, Ruy Kortbeek, Yi-Kai Liu, W. Andy Tao, Ying Li i Benoît Boachon z Purdue University.

Prace były wspierane przez National Science Foundation i Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych.