Cum răspund plantele la dieta cu apă

Frunza numărul șase al plantei model Arabidopsis thaliana a fost prima care a studiat modul în care plantele se adaptează la deficitul de apă la nivel molecular. Cu rezultate surprinzătoare.

Frunzele sunt unul dintre cele mai importante organe ale unei plante. Fotosinteza are loc în ele, folosind lumina soarelui pentru a transforma dioxidul de carbon în zahăr și, în același timp, a elibera oxigenul ca produs secundar. Frunzele acumulează astfel biomasă și mențin astfel creșterea rădăcinilor și a producției de semințe.

Schimbările climatice amenință aceste organe și, prin urmare, plantele: se prognozează temperaturi mai ridicate și perioade mai lungi de uscare, ceea ce ar putea limita sever funcția frunzelor. Aplicat plantelor cultivate, acest lucru înseamnă: mai puțină biomasă, recolte mai mici, mai puțină hrană pentru oameni și animale.

Răspuns molecular măsurat la dieta cu apă

Ca parte a proiectului UE AGRON-OMICS, cercetătorii care lucrează cu biotehnologul vegetal Wilhelm Gruissem au dorit să știe cum reacționează o plantă, în acest caz, creșterea thaliei (Arabidopsis thaliana) la o „dietă cu apă” în timpul dezvoltării sale, atât în propria sa expresie externă precum și la nivel molecular.

Pentru a face acest lucru, în timpul dezvoltării celei de-a șasea frunze pe care o formează planta, cercetătorii au determinat cantitatea de proteine și moleculele de ARN mesager asociate și le-au comparat cu datele provenite de la plante care au primit suficientă apă. Frunza numărul șase este prima frunză „adultă” a crescutului de balenă.

Cercetătorii au recoltat această frunză în patru etape succesive de dezvoltare dimineața și seara. Au folosit datele pentru a crea profiluri pe care să le poată compara între ele.

Fluctuații puternice în ARN messenger

Din exterior, lipsa apei a însemnat că planta a crescut mai încet, așa cum era de așteptat, și a format frunze mai mici. Dar ea și-a extins faza de creștere pentru a compensa subdurea cauzată de dieta involuntară cu apă.

Privirea asupra funcționării interioare moleculare a frunzei numărul șase i-a surprins pe Wilhelm Gruissem și Katja Bärenfaller din grupul ETH Plant Biotechnology. Cantitatea de proteine măsurate abia s-a schimbat în timpul zilei, nici la plantele cărora li s-a dat suficientă apă, nici la cele care au crescut cu o dietă cu apă. Din mai mult de 1700 de proteine măsurate, doar două au prezentat diferențe mai mari în cantitate în timpul zilei.

Pe de altă parte, moleculele de ARN mesager (ARNm), adică copiile unei gene, care sunt instrucțiunile de construcție pentru proteine, sunt diferite. La plantele care au crescut în condiții normale, cantitățile de aproximativ jumătate din cele peste 25.000 de molecule de ARNm măsurate s-au schimbat semnificativ în timpul zilei, unele fiind mai frecvente seara și altele dimineața. Prin urmare, această diferență de cantitate seara și dimineața nu s-a corelat cu cea a proteinelor măsurate. „Acest fapt a fost o surpriză pentru noi”, spune Katja Bärenfaller.

Plantele care au suferit de o lipsă de apă, totuși, nu și-au permis „luxul” fluctuației cantităților de ARNm, mai ales în etapele ulterioare de creștere.

Pe parcursul întregii dezvoltări a frunzei numărul șase de la o frunză mică la una complet crescută, cu toate acestea, modificările cantității de proteine au fost, cu câteva excepții, destul de strâns legate de cantitatea de molecule de ARNm, atât în cazul lipsei de apă, cât și a unei surse adecvate. . „Am măsurat o corelație bună pe tot parcursul dezvoltării, dar nu pe parcursul ciclului zilnic”, spune Wilhelm Gruissem. Deci, se pare că este necesară o schimbare pe termen mai lung a nivelurilor de ARNm pentru ca ceva să se schimbe în nivelurile de proteine.

Întrebând de ce

„Dar de ce se modifică nivelurile de ARNm pe parcursul zilei dacă are o influență redusă asupra nivelului de proteine?” Întreabă Katja Bärenfaller, primul autor al unei lucrări care tocmai a apărut în „Biologia sistemelor moleculare”. Este logic că concentrația de proteine rămâne constantă chiar sau mai ales în situații de deficit. Deoarece formarea acestor molecule costă o celulă multă energie, la fel și defalcarea lor.

Sinteza proteinelor necesită aproximativ nouă ori mai multă energie decât asamblarea moleculelor de ARNm, așa cum arată un studiu asupra celulelor de mamifere. Oamenii de știință nu știu încă de ce aproximativ trei sferturi din moleculele de ARNm care aparțin proteinelor măsurate fluctuează zilnic, în timp ce nivelurile de proteine rămân stabile în același timp. Ei suspectează că fluctuația cantităților de ARNm face posibil ca Arabidopsis să reacționeze mai rapid la schimbarea condițiilor de mediu.

Răspunsul brusc la stres de secetă este diferit

Rezultatele obținute din modelul creștetului de plante pot fi, de asemenea, transferate parțial la culturi precum porumb sau grâu. Este important să recunoaștem cum se comportă plantele în condiții climatice schimbate - aceasta include perioade mai lungi de secetă, cum ar fi vara aceasta în SUA, spune Wilhelm Gruissem. Analiza pe scară largă a proteinelor și a moleculelor de ARNm arată că adaptarea la deficitul de apă pe termen lung are loc diferit de reacția la stresul brusc al apei, în care sunt activate gene complet diferite și anumite molecule de ARNm și proteine asociate sunt disponibile rapid în număr mare subliniază el.

Bibliografie

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. Analiza bazată pe sisteme a creșterii frunzelor Arabidopsis relevă adaptarea la deficitul de apă. Mol Syst Biol.2012 28 august; 8: 606. doi: 10.1038/msb.2012.39.