Forståelse af planters vejrtrækning:Undersøgelse identificerer nøgleproteinsamspillet bag rytmiske stomatale bevægelser

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , har forskere dechifreret den molekylære mekanisme, der regulerer stomatas rytmiske bevægelser i løbet af dagen.

Stomata består af to parrede beskyttelsesceller (GC) og poren mellem dem, hvis størrelse afhænger af cellernes hævelse eller krympning, hvilket øger eller formindsker stomatalåbningen. Optimale stomatale åbninger bestemmes af integrationen af ​​forskellige miljømæssige og interne faktorer.

Generelt sker lukning i mørke og under vandstress som reaktion på stresshormonet ABA (abscisinsyre) for at forhindre vandtab, hvorimod lys inducerer stomataåbning for at tillade CO₂ optagelse og O₂ frigivelse i løbet af dagen.

For fuldt ud at forstå de mekanismer, der styrer stomatale bevægelser, studerede Center for Research in Agricultural Genomics-forskere ledet af Elena Monte modelplanten Arabidopsis thaliana i perioder med kontrolleret lys og mørke for at overvåge stomata-åbningen og identificere de involverede proteiner og gener ved hjælp af molekylærbiologiske metoder samt bioinformatiske analyser.

Forskere fandt ud af, at en familie af proteiner ved navn PIF'er (Phytochrome Interacting Factors) akkumuleres i slutningen af ​​natperioden, og at dette er et afgørende skridt til at inducere stomataåbning om morgenen.

PIF'er er transkriptionsfaktorer, der kontrollerer ekspressionen af ​​visse gener, og i dette tilfælde har forskere fastslået, at akkumulering af PIF'er udløser ekspressionen af ​​KAT1-genet, et vagtcellespecifikt kalium (K ⁺ ) kanal, der styrer mængden af ​​ioner og dermed mængden af ​​vand, der kommer ind i disse celler. Om morgenen aktiverer tilstedeværelsen af ​​lys KAT1-protein, hvilket udløser indtagelse af kaliumioner og hævelse af beskyttelsesceller, hvilket får stomata til at åbne sig.

Nil Veciana og Arnau Rovira, med-første forfattere af værket, fremhæver vigtigheden af ​​resultaterne i en eksperimentel opsætning "uden vandrestriktioner og dermed endogene ABA-niveauer," forhold, hvor der er rytmisk stomataåbning og regulatorisk reaktion på mørke/lyse cyklusser kan evalueres.

Faktisk er dette samspil mellem PIF-funktion og endogen ABA-signalering i vagtcellerne nøglen til den dynamiske regulering af stomata. I løbet af natten er endogen ABA nødvendig for at holde stomata lukket, mens om morgenen er en reduktion af ABA nødvendig for lysinduceret og PIF-reguleret stomataåbning.

Selvom stomata var kendt for at have rytmiske bevægelser, og de proteiner, der er ansvarlige for åbning-lukning, allerede var kendt, er det første gang, at den nøjagtige transkriptionelle mekanisme, der regulerer stomata-åbningen i løbet af dagen/nat, er blevet belyst. Desuden åbner identifikationen af ​​PIF og KAT1 som væsentlige aktører i denne forordning mulighed for nye forskningsmuligheder og mulige bioteknologiske tilgange.

Forståelse af, hvordan lys/mørke-cyklussen regulerer stomatalåbningen, kunne bruges til at identificere mål for at optimere planteudbyttet og plantetilpasning til forskellige stressfaktorer, for eksempel i et vandbegrænsende miljø og tørkeforhold.

Flere oplysninger: Arnau Rovira et al., PIF-transskriptionelle regulatorer er nødvendige for rytmiske stomatale bevægelser, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48669-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Center for Forskning i Agricultural Genomics (CRAG)