Ako rastliny reagujú na vodnú stravu
List číslo šesť modelovej rastliny Arabidopsis thaliana bol prvým, kto skúmal, ako sa rastliny adaptujú na nedostatok vody na molekulárnej úrovni. S prekvapivými výsledkami.
Listy sú jedným z najdôležitejších orgánov v rastline. Prebieha v nich fotosyntéza, ktorá pomocou slnečného žiarenia premieňa oxid uhličitý na cukor a zároveň uvoľňuje kyslík ako vedľajší produkt. Listy tak vytvárajú biomasu a tým tiež udržiavajú rast koreňov a produkciu semien.
Zmena klímy ohrozuje tieto orgány a spolu s nimi aj rastliny: predpokladajú sa vyššie teploty a dlhšie obdobia sucha, ktoré by mohli vážne obmedziť funkciu listov. Aplikované na pestované rastliny to znamená: Menej biomasy, nižšia úroda, menej potravy pre ľudí a zvieratá.
Meraná molekulárna odpoveď na stravu s vodou
V rámci projektu EÚ AGRON-OMICS chceli výskumníci spolupracujúci s rastlinným biotechnológom Wilhelmom Gruissemom vedieť, ako rastlina v prípade žeruchy obyčajnej (Arabidopsis thaliana) reaguje počas svojho vývoja na «vodnú stravu», a to jednak vo svojom vonkajšej expresie, ako aj na molekulárnej úrovni.
Za týmto účelom vedci počas vývoja šiesteho listu, ktorý rastlina vytvára, stanovili množstvo bielkovín a s nimi spojených molekúl mediátorovej RNA a porovnali ich s údajmi z rastlín, ktoré prijímali dostatok vody. List číslo šesť je prvým „dospelým“ listom žeruchy obyčajnej.
Vedci zberali tento list v štyroch po sebe nasledujúcich vývojových fázach ráno a večer. Údaje použili na vytvorenie profilov, ktoré mohli navzájom porovnávať.
Silné výkyvy v mediálnej RNA
Z vonkajšej strany nedostatok vody znamenal, že rastlina rástla podľa očakávania pomalšie a tvorila menšie listy. Ale predĺžila svoju rastovú fázu, aby vyrovnala podrast spôsobený nedobrovoľnou vodnou stravou.
Pohľad na molekulárne vnútorné fungovanie listu číslo šesť prekvapil Wilhelma Gruissema a Katju Bärenfallerovú zo skupiny ETH Plant Biotechnology. Množstvo nameraných bielkovín sa počas dňa takmer nezmenilo, a to ani u rastlín, ktoré dostali dostatok vody, ani u rastlín, ktoré rástli na základe vodnej stravy. Z viac ako 1700 nameraných bielkovín iba dva vykazovali väčšie rozdiely v množstve počas dňa.
Na druhej strane, molekuly mediálnej RNA (mRNA), t. J. Kópie génu, ktoré sú stavebnými pokynmi pre proteíny, sa líšia. V rastlinách, ktoré rástli za normálnych podmienok, sa množstvá približne polovice z viac ako 25 000 nameraných molekúl mRNA významne zmenili počas dňa, niektoré boli častejšie večer a iné ráno. Tento rozdiel v množstve večer a ráno preto nekoreloval s rozdielom nameraných proteínov. „Táto skutočnosť nás prekvapila,“ hovorí Katja Bärenfaller.
Rastliny trpiace nedostatkom vody si však predovšetkým v neskorších štádiách rastu nedovolili „luxus“ kolísajúcich množstiev mRNA.
Počas celého vývoja listu číslo šesť od maličkého po úplne dospelý list však boli zmeny v množstve bielkovín až na niekoľko výnimiek celkom úzko spojené s množstvom molekúl mRNA, a to v prípade nedostatku vody a dostatočného prísunu . „Počas vývoja sme namerali dobrú koreláciu, ale nie v priebehu denného cyklu,“ hovorí Wilhelm Gruissem. Zdá sa teda, že je potrebná dlhodobejšia zmena hladín mRNA, aby sa mohla niečo zmeniť v hladinách bielkovín.
Pýtam sa prečo
„Prečo sa však hladiny mRNA menia v priebehu dňa, ak majú malý vplyv na hladinu bielkovín?“ Pýta sa Katja Bärenfaller, prvá autorka článku, ktorý sa práve objavil v časopise „Molecular Systems Biology“. Je logické, že koncentrácia bielkovín zostáva konštantná aj v prípade nedostatku. Pretože vznik týchto molekúl stojí bunku veľa energie, rovnako ako ich rozpad.
Ako ukazuje štúdia na bunkách cicavcov, syntéza bielkovín vyžaduje asi deväťkrát viac energie ako zhromažďovanie molekúl mRNA. Vedci zatiaľ nevedia, prečo asi tri štvrtiny molekúl mRNA, ktoré patria medzi merané proteíny, kolíšu každý deň, zatiaľ čo hladiny proteínov zostávajú stabilné súčasne. Majú podozrenie, že kolísanie množstva mRNA umožňuje Arabidopsis rýchlejšie reagovať na meniace sa podmienky prostredia.
Náhle reakcie na stres sú rôzne
Výsledky z modelovej rastliny Žerucha obyčajná sa dajú čiastočne preniesť aj na plodiny, ako je kukurica alebo pšenica. Je dôležité uvedomiť si, ako sa rastliny správajú za zmenených klimatických podmienok - to zahŕňa dlhšie obdobia sucha, ako je toto leto v USA, tvrdí Wilhelm Gruissem. Rozsiahla analýza proteínov a molekúl mRNA ukazuje, že adaptácia na dlhodobý nedostatok vody prebieha inak ako reakcia na náhly vodný stres, pri ktorom sa aktivujú úplne odlišné gény a určité molekuly mRNA a súvisiace proteíny sú rýchlo dostupné vo veľkom množstve upozorňuje.
Bibliografia
Baerenfaller K, Massonnet C, Walsh S, Baginsky S, Bühlmann P, Hennig L, Hirsch-Hoffmann M, Howell KA, Kahlau S, Radziejwoski A, Russenberger D, Rutishauser D, Small I, Stekhoven D, Sulpice R, Svozil J, Wuyts N, Stitt M, Hilson P, Granier C, Gruissem W. Analýza rastu listov Arabidopsis založená na systémoch odhaľuje adaptáciu na nedostatok vody. Mol Syst Biol. 2012 28. augusta; 8: 606. doi: 10.1038/msb.2012.39.