Растения Nicotiana benthamiana в лаборатории Калифорнийского университета в Дэвисе. Растения образуют новые ветви, когда гормон стриголактон распадается. Биологи растений Калифорнийского университета в Дэвисе теперь определили ферменты, которые расщепляют стриголактон, что потенциально открывает способы выведения растений с большим количеством ветвей и, следовательно, большим количеством плодов. Автор: Саша Бахтер, Калифорнийский университет в Дэвисе
Для многих растений больше ветвей означает больше плодов. Но что заставляет растение отращивать ветви? Новое исследование Калифорнийского университета в Дэвисе показывает, как растения расщепляют гормон стриголактон, подавляющий ветвление, чтобы стать более «кустистыми». Понимание того, как регулируется стриголактон, может иметь большие последствия для многих сельскохозяйственных культур.
Исследование было опубликовано 1 августа в Nature Communications.
«Возможность манипулировать стриголактоном может иметь последствия, выходящие за рамки структуры растений, в том числе и для устойчивости растений к засухе и патогенам», — сказал старший автор Ницан Шабек, доцент кафедры биологии растений Калифорнийского университета в Дэвисе, специализирующийся на биохимии и структурной биологии.
Гормональная роль стриголактона была открыта только в 2008 году, и Шабек описывает его как «новичка» в исследовании гормонов растений. Помимо регулирования поведения ветвления, стриголактон также способствует полезным взаимодействиям под землей между микоризными грибами и корнями растений, а также помогает растениям реагировать на стрессы, такие как засуха и высокая соленость.
Хотя ученые много знают о том, как растения синтезируют стриголактоны и другие гормоны, очень мало известно о том, как растения их расщепляют. Недавние исследования показали, что ферменты, называемые карбоксилэстеразами, которые существуют во всех царствах жизни, включая людей, могут быть вовлечены в деградацию стриголактона. Растения вырабатывают более 20 типов карбоксилэстераз, но только две формы, в частности CXE15 и CX20, были связаны со стриголактоном. Однако эта связь была только спекулятивной, и команда Шабека хотела узнать больше о том, как работает эта деградация.
«Наша лаборатория интересуется механизмами, то есть мы не просто хотим знать, что автомобиль может ездить, мы хотим знать, как он едет; что происходит внутри двигателя», — сказал Шабек.
Расшифровка двигателя фермента
Чтобы выяснить, действительно ли CXE15 и CX20 участвуют в регуляции стриголактона, исследователи начали с построения 3D-моделей молекулярной структуры ферментов. Эту работу начал студент-исследователь Линьи Ян, который вырастил и очистил белки карбоксилэстеразы в лаборатории.
Этот студенческий проект очень быстро стал чем-то большим, говорит Шабек.
Постдокторант Малати Палаям использовал рентгеновскую кристаллографию и компьютерное моделирование для решения трехмерной атомной структуры ферментов и провел биохимические эксперименты, чтобы сравнить, как два фермента могут разрушать гормон.
Эти эксперименты показали, что CXE15 был намного более эффективен в разрушении стриголактона, чем CXE20, который связывается со стриголактоном, но не разрушает его эффективно. Их 3D-модели показали нечто новое: что определенная область CXE15 фактически позволяла ферменту изменять свою форму.
«CXE15 — очень эффективный фермент, он может полностью разрушить молекулу стриголактона за миллисекунды», — сказал Шабек. «Когда мы увеличили масштаб, мы поняли, что в структуре фермента есть динамическая область, которая необходима для его функционирования таким образом».
Динамический фермент
Исследуя структуру CXE15, Шабек и его коллеги определили определенные аминокислоты, которые позволяют ферменту динамически связываться со стриголактоном. Затем, чтобы подтвердить, что эти аминокислоты действительно отвечают за эффективность фермента, они генетически сконструировали мутантную версию фермента с измененной динамической областью. Мутантная версия продемонстрировала сниженную способность расщеплять стриголактон как in vitro, так и при тестировании ее на растениях Nicotiana benthamiana.
Шабек говорит, что следующим шагом будет изучение того, как ферменты карбоксилэстеразы вырабатываются в различных тканях растений, таких как корни и стебли.
«В этом исследовании мы действительно были заинтересованы в выяснении механизма и структуры этих ферментов, но будущие исследования могут начать изучать, как они влияют на рост и развитие растений», — сказал Шабек.
Дополнительные авторы исследования: Уграппа Нагалакшми, Амелия К. Джилио и Савитрамма Динеш-Кумар, Калифорнийский университет в Дэвисе; Дэвид Корню и Франсуа-Дидье Бойер, Университет Париж-Сакле, Франция.
Дополнительная информация: Малати Палаям и др., Структурные исследования катаболизма стриголактона карбоксилэстеразами выявляют консервативную конформационную регуляцию, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50928-3
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Калифорнийским университетом в Дэвисе
