Fritdannende organeller hjælper planter med at tilpasse sig klimaændringer

Planters evne til at fornemme lys og temperatur og deres evne til at tilpasse sig klimaændringer afhænger af fritdannende strukturer i deres celler, hvis funktion indtil nu var et mysterium.

For første gang har UC Riverside-forskere fastslået, hvordan disse strukturer fungerer på molekylært niveau, samt hvor og hvordan de dannes. Disse oplysninger er beskrevet i to nye Nature Communications papirer.

Forskere har længe undersøgt membranbundne rum, kaldet organeller, i planteceller, såsom Golgi-apparatet, mitokondrier, og vigtigst af alt kernen, hvor DNA bliver kopieret og transskriberet til RNA.

Der vides dog meget mindre om de membranfrie organeller, der dynamisk kan samles og skilles ad inde i kernen, såsom fotolegemerne, der hjælper med at føle lys og temperatur i planter.

"På et tidspunkt kaldte folk disse fotolegemer 'affaldsspande', fordi de ikke forstod dem. Når folk ikke forstår noget, kalder de det ubrugeligt. Men de er slet ikke ubrugelige," sagde UCR-botanikprofessor Meng Meng Chen, seniorforfatter af begge artikler. "De er en ny grænse inden for videnskaben."

En del af udfordringen ved at studere fotolegemer eller membranløse organeller generelt er, at molekyler bevæger sig ind og ud af dem konstant. Dette gør det vanskeligt at skelne funktionen af ​​komponenterne inde i organellerne versus dem udenfor. Derudover dannes disse fotolegemer kun i lyset.

Chen brugte to årtier på at arbejde på dette problem, før hans laboratorium fandt en metode, der hjalp med at låse op for mysteriet om organellernes funktion.

Tidligere ville han fjerne et gen i en laboratorieplante og forsøge at observere eventuelle ændringer i fotolegemerne og planternes lys- eller temperaturrespons. Denne tilgang gav delvis succes.

Hans laboratorium identificerede et gen, der gjorde det umuligt for de membranløse organeller at samle sig. At slå dette gen ud gjorde planterne delvist blinde for lys. "Vi så, at disse organeller er involveret i lysføling, men vi indså, at dette var en sammenhæng, ikke en årsagssammenhæng," sagde Chen.

For at lære mere forsøgte forskerne at forbedre størrelsen af ​​organellerne i stedet for at eliminere dem. Denne strategi, der er beskrevet i et af de nye papirer, viste sig at være vellykket. Med større organeller var det muligt at se funktionen.

"Det, vi i sidste ende så, er, at de membranløse organeller hjælper planter med at skelne en hel række af forskellige lysintensiteter. Uden dem ville planter ikke være i stand til at 'se' ændringer i lysintensitet," sagde Chen.

I et relateret sæt eksperimenter, beskrevet i den anden Nature Communications papir, testede forskerne forholdet mellem disse organeller og temperatur. Tidligere havde gruppen vist, at hvis temperaturen stiger, falder antallet af disse organeller.

Gruppen teoretiserede, at temperaturfølsomhed ville være en funktion af, hvor i cellen organellerne blev dannet. Andre forskere foreslog, at dannelsen af ​​organellerne er tilfældig, men Chen havde mistanke om, at dette ikke var tilfældet.

"Der er ikke meget i naturen, der er fuldstændig tilfældigt," sagde Chen. "I lufthavnen, samles folk midt i ingenting, eller er de normalt i venteområderne og ved flyselskabernes skranker? Alt, der har en vigtig funktion, er normalt ikke tilfældigt."

Dannelsen af ​​fotolegemer, viser det sig, er heller ikke tilfældig. Mere end halvdelen af ​​dem er tæt på centromerer, regionen af ​​et kromosom, der rummer tavsede gener.

Ved 16 grader var der ni typer membranløse organeller i cellerne. Ved 27 grader faldt antallet til kun fem typer. Selvom de alle indeholder det temperaturfølende protein phytochrom B, er nogle af disse organeller temperaturfølsomme, og andre er ikke.

Fremadrettet håber forskerne at vise, at det er muligt at ændre planternes følsomhed over for lys og temperatur ved at manipulere, hvor organellerne dannes. Dette er især vigtigt, hvis folk ønsker at fortsætte med at dyrke fødevareafgrøder i en varmere, lysere verden.

Californien dyrker halvdelen af ​​landets frugter og grøntsager. Men videnskabsmænd anslår, at uden afbødning af drivhusgasemissioner kan gennemsnitstemperaturerne i staten stige med 11 grader ved udgangen af ​​århundredet, hvilket vil have en alvorlig indvirkning på afgrødevæksten.

"For at forudsige og afbøde klimaændringer er vi nødt til at forstå, hvordan planter sanser og reagerer på deres miljø, især temperatur," sagde Chen. "Temperaturen er ikke kun relateret til vækst og størrelse. Den er relateret til alt:Blomstringstid, frugtudvikling, patogenrespons og immunitet."

Flere oplysninger: Ruth Jean Ae Kim et al., Photobody-formation adskiller rumligt to modsatrettede phytochrome B-signalhandlinger af PIF5-nedbrydning og stabilisering, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47790-8

Juan Du et al., At skelne individuelle fotolegemer ved hjælp af Oligopaints afslører termofølsomme og -ufølsomme phytochrom B-kondensering på forskellige subnukleare steder, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47789-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of California - Riverside