Ученые выяснили, как растения «чувствуют» запахи и начинают защищаться от вредителей на примере табака и летучих веществ кариофилленов. Как пишут исследователи в Journal of Biological Chemistry, кариофиллены инициируют в растениях выработку белка осмотина, защищающего растения от различных инфекций. Они связываются с аналогом так называемых TOPLESS-белков, которые замедляют синтез РНК в клетках, и, по-видимому, ускоряют выработку осмотина.
В жизни животных запахи играют огромную роль. Летучие органические вещества несут информацию о еде, хищнике или подходящем партнере, находящихся неподалеку. Для растений запахи тоже важны. Известно, что гены растений, кодирующие белки, необходимые для защиты или ответа на стресс, регулируются летучими органическими веществами. Например, растения луновидной фасоли (Phaseolus lunatus), «включали» гены, кодирующие защитные белки, если их листья были заражены вредителями — паутинными клещами. Эти белки привлекают к растению хищных насекомых, которые охотятся на паутинных клещей. Если же лист повреждали искусственно, растения их не вырабатывали. Кроме того, некоторые паразитические растения находят хозяйские организмы «по запаху», по испускаемым теми летучим органическим веществам. Однако как растения улавливают запахи и как летучие вещества запускают синтез нужных белков, было неизвестно.
Японские биологи под руководством Казушиге Тухара (Kazushige Touhara) из Токийского университета выяснили этот вопрос. В качестве модельных они использовали молодые растения и клеточные культуры табака (Nicotiana tabacum). Ранее исследователи выяснили, что растения табака вырабатывают вещества кариофиллены, чтобы защититься от насекомых-вредителей.
Сначала исследователи выяснили, начинается ли экспрессия генов в клеточных культурах табака в ответ на разные летучие вещества. Авторы добавляли к клеткам 11 летучих веществ, которые, предположительно, запускают защитную реакцию у поврежденных растений. В качестве контроля ученые использовали фитогормоны метилжасмотин и салициловую кислоту. Оказалось, что два из них — оксид кариофиллена и α-кариофиллен — инициировали экспрессию белка осмотина. Некоторые растения вырабатывают осмотин для защиты от различных инфекций. Контрольные фитогормоны запускали синтез двух специфичных ферментов, выработку которых они регулируют в растениях. Тестируемые летучие вещества никак не действовали на экспрессию этих генов. То есть летучие вещества очень избирательно регулировали тот или иной ген. Глядя на эти результаты, исследователи предположили, что у летучих веществ есть белки-рецепторы, которые участвуют в регуляции синтеза белков.
Затем японские биологи убедились, что молодые растения табака, также, как и клеточные культуры, синтезируют осмотин. Ученые либо помещали растения в герметичные стеклянные сосуды и добавляли в них α- и β-кариофиллены или оксид кариофиллена, либо они помещали листья табака в растворы этих веществ.
Чтобы определить белок-рецептор, который связывается с кариофилленами и регулирует экспрессию генов, исследователи «связали» кариофиллены с крошечными бусинами. Затем эти бусины подержали в экстракте из листьев табака. В результате ученым удалось «поймать» белок, похожий на встречающиеся в других растениях TOPLESS-белки (белки TPL). В комплексе с другими белками, они замедляют синтез РНК в клетках.
В конце концов исследователи решили выяснить, как действует найденный белок, который они обозначили, как TPL3. Он мог регулировать синтез защитного белка осмотина самостоятельно, или мог связываться с кариофилленами или оксидом кариофиллена. Исследователи создали трансгенные клеточные культуры табака, в которых вырабатывалось очень большое количество белка TPL3. Чтобы отслеживать его синтез, ученые добавили в ДНК-конструкцию зеленый флуоресцентный белок, который светится при облучении синим или фиолетовым светом. Сначала авторы выяснили, что TPL3 скапливается в ядрах клеток. Это говорило о том, что белок задействован в синтезе РНК, который происходит в ядре клетки.
Затем исследователи добавили в трансгенные культуры раствор оксида кариофиллена и проверили, как в клетках синтезируется осмотин. В качестве контроля ученые использовали обычные клеточные культуры табака. Оказалось, что в некоторых трансгенных культурах количество осмотина было ниже, чем в обычных клетках. По предположению авторов, этот результат свидетельствует о том, что белок TPL3 связывался с оксидом кариофиллена и они вместе регулировали синтез осмотина. Возможно, в обычных клетках кариофиллен связывается с белком TPL3 и не позволяет ему замедлять синтез осмотина.
Ранее биологи выяснили, что растения способны оценивать, как растут соседние растения, и в зависимости от этого выбирать собственную стратегию роста, чтобы обогнать конкурентов.
Екатерина Русакова