Hvordan planters trusselsdetekteringsmekanismer slår alarmen

Nyt arbejde ledet af Carnegies Zhiyong Wang løser en kompleks cellulær signaleringsproces, der understøtter planters evne til at balancere forbrug af energi på vækst og forsvare sig mod patogener. Disse resultater, offentliggjort i Nature Plants , viser, hvordan planter bruger komplekse cellulære kredsløb til at behandle information og reagere på trusler og miljøforhold.

"Planter har ikke hjerner som os, og de kan være fikseret på plads og ude af stand til at flygte fra rovdyr eller patogener, men hav ikke ondt af dem, for de har udviklet et utroligt netværk af informationsbehandlingskredsløb, der muliggør dem til at 'tage beslutninger' som reaktion på de situationer, de befinder sig i," forklarede Wang.

Spøgende, tilføjede han, "en plante vil aldrig synge 'If I Only Had a Brain', fordi de i stedet har udviklet dette vidunder af responsiv beslutningstagning."

Højere planter sætter hundredvis af højt specialiserede sensorer, kaldet receptorkinaser, på deres celleoverflader for at overvåge miljøet og for at kommunikere mellem celler. Wangs laboratorium arbejder på at belyse de molekylære kredsløb, der forbinder disse sensorer med specifikke cellulære responser, såsom vækst og immunitet. At forbedre vores forståelse af, hvordan planter træffer cellulære beslutninger, kan understøtte teknologiske indgreb til forbedring af landbrugsudbyttet i lyset af en opvarmende planet.

I dette aktuelle værk, udgivet i Nature Plants , opdagede Wangs team, at to af disse sensorer bruger et system af forskellige molekylære tags, der involverer et protein, der er delt mellem deres respektive kommunikationskredsløb. Denne opdagelse forbinder vækst- og immunresponssløjferne, hvilket fremmer vores forståelse af, hvordan planter træffer deres vigtigste beslutninger.

Når en plante fornemmer en trussel, skal den aktivere kommunikationskæder, der slår alarmen og fortæller den, at den skal bekæmpe patogenet. Der er to hovedtyper af trusselsdetektionsmekanismer i planteceller – evnen til at genkende karakteristiske kemiske mønstre, der betegner en angriber, såsom komponenter i en bakteriecelle, og evnen til at genkende en forstyrrelse forårsaget af invaderende patogen.

Wang og hans forskningssamarbejdspartnere – herunder Carnegies Chan Ho Park (hovedforfatteren), Yang Bi, Nicole Xu, Ruben Shrestha og Shouling Xu, sammen med Stanford Universitys Jung-gun Kim og Mary Beth Mudgett og kolleger ved Chung-Ang University, Hanyang University og UC San Francisco – sporede et enzyms rolle i biokemiske signalveje for begge typer trusselsgenkendelse.

Kaldet BSU1 viste forskerne, at den spiller nøgleroller, men adskilte, roller på to veje – den ene, der fremmer væksten, og den anden, der hæver plantens trusselalarmsystem.

En vej involverer en receptor for et medlem af klassen af ​​plantehormoner kaldet brassinosteroider - som Wang har studeret indgående og er afgørende for plantevækst og udvikling, frøspiring og frugtbarhed. Den anden vej fungerer gennem mønstergenkendelsesreceptorer, der har specialiseret sig i at detektere den bevægelige hale af en bakteriel angriber.

Begge disse veje involverer celleoverfladesensorer, der, når de aktiveres af eksterne signaler, kemisk mærker forskellige proteiner for enten at tænde eller slukke for deres adfærd, og videregive information ned i en kæde af interaktioner.

Forskerne var overraskede over at opdage, at BSU1 engagerer sig i to helt separate interaktionskæder. I brassinosteroid-vejen er BSU1 involveret i hormonets vækst- og udviklingsfunktioner. I mønstergenkendelsesvejen er BSU1 involveret i aktivering af immunitet ved trusselsdetektion. BSU1 oversætter koderne fra de forskellige sensorer ved at bruge forskellige segmenter af dens struktur til at acceptere det kemiske mærke, hvor hver lokation repræsenterer en anden besked.

Tilsammen viser disse resultater den indbyrdes forbundne kompleksitet af vækst og immunrespons. Desuden er de en forbløffende åbenbaring af den måde, hvorpå planter modtager information, behandler den gennem biokemiske kredsløb, der efterligner et binært computersprog, og reagerer på miljøforhold for at forbedre deres chancer for at overleve.

"Vores arbejde viser, hvordan et protein som BSU1 kan fungere som en computerchip til at behandle kompleks information," konkluderede Wang. "Når vi forbereder os på en verden, hvor klimaændringer øger stress på vigtige fødevarer og biobrændstofafgrøder, er det afgørende, at vi forstår, hvordan planter opdager og reagerer på eksterne trusler."