Forskere afslører parallelt univers inden for tomatgenetik

I et papir, der vises i Science Advances , Michigan State University-forskere har afsløret et overraskende genetisk mysterium centreret om sukkerarter, der findes i, hvad gartnere kender som "tomattjære."

Enhver, der har beskåret tomatplanter med bare hænder, har sandsynligvis fundet deres fingre mørkere med et klæbrigt, guldsort stof, der ikke helt vil vaskes af. Denne tomattjære er klistret med god grund. Det er lavet af sukkerarter - acylsukkere, for at være præcis - og fungerer som en slags naturligt fluepapir til potentielle skadedyr.

"Planter har udviklet sig til at lave så mange fantastiske giftstoffer og andre biologisk aktive forbindelser," sagde Michigan State-forsker Robert Last, leder af det nye studie.

The Last lab har specialiseret sig i acylsukker og de små hårlignende strukturer, hvor de produceres og opbevares, kendt som trichomer. Engang antaget udelukkende at være fundet i trichomer, rapporterede andre forskere for nylig, at de også fandt acylsukker i tomatrødder. Dette var en overraskelse for det plantevidenskabelige samfund.

I deres undersøgelse ønskede teamet ved Michigan State University at lære, hvordan disse rodacylsukkere fungerede, og præcis hvor de kom fra. De fandt ud af, at ikke kun tomatplanter syntetiserer kemisk unikke acylsukkere i deres rødder og trichomer, men at disse acylsukkere produceres gennem to parallelle metaboliske veje.

Dette svarer til samlebånd på en bilfabrik, der fremstiller to forskellige modeller af den samme bil, men som aldrig interagerer.

Disse opdagelser hjælper videnskabsmænd til bedre at forstå modstandsdygtigheden og den evolutionære historie om Solanaceae, eller natskygge, en vidtstrakt familie af planter, der omfatter tomater, auberginer, kartofler, peberfrugter, tobak og petunia. De kunne også hjælpe med at informere forskere, der ønsker at udvikle molekyler lavet af planter til forbindelser for at hjælpe menneskeheden.

"Fra lægemidler, til pesticider, til solcremer, kommer mange små molekyler, som mennesker har tilpasset til forskellige formål, fra våbenkapløbet mellem planter, mikrober og insekter," sagde sidst.

Rødder og skud

Ud over nøglekemikalier, der er afgørende for vækst, producerer planter også en skatkammer af forbindelser, der spiller en afgørende rolle i miljøinteraktioner. Disse kan tiltrække nyttige bestøvere og er den første forsvarslinje mod skadelige organismer.

"Det, der er så bemærkelsesværdigt ved disse specialiserede metabolitter, er, at de typisk syntetiseres i meget præcise celler og væv," sagde Rachel Kerwin, en postdoc-forsker ved MSU og førsteforfatter til det seneste papir.

"Tag for eksempel acylsukker. Du finder dem ikke produceret i blade eller stilke på en tomatplante. Disse fysisk klæbrige forsvarsmetabolitter er lavet lige i spidsen af ​​trichomes."

Da det blev rapporteret, at acylsukker også kunne findes i tomatrødder, tog Kerwin det som en opfordring til gammeldags genetisk detektivarbejde.

"Tilstedeværelsen af ​​disse acylsukkere i rødderne var fascinerende og førte til så mange spørgsmål. Hvordan skete det, hvordan bliver de fremstillet, og er de forskellige fra trichome acylsukkere, vi har studeret?"

For at begynde at tackle den evolutionære gåde, samarbejdede laboratoriemedlemmer med specialister på MSU's massespektrometri og metabolomics Core samt personalet på Max T. Rogers kernemagnetisk resonansanlæg.

Ved sammenligning af metabolitter fra tomatfrøplanters rødder og skud viste der sig en række forskelle. Den grundlæggende kemiske sammensætning af de overjordiske og underjordiske acylsukkere var mærkbart forskellige, så meget at de helt kunne defineres som forskellige klasser af acylsukkere.

Brækker bilen i stykker

Til sidst tilbyder en fremtrædende professor ved MSU's College of Natural Sciences Institut for Biokemi og Molekylær Biologi og Institut for Plantebiologi en nyttig analogi til at forklare, hvordan en genetiker nærmer sig biologi.

"Forestil dig at prøve at finde ud af, hvordan en bil fungerer ved at bryde en komponent ad gangen," sagde han. "Hvis du gør en bils dæk flade og bemærker, at motoren stadig kører, har du opdaget et kritisk faktum, selvom du ikke ved, hvad dækkene præcist gør." Skift reservedele ud for gener, og du får et klarere billede af det arbejde, der er udført af det sidste laboratorium for yderligere at knække koden på rodacylsukkere.

Ved at se på offentlige genetiske sekvensdata bemærkede Kerwin, at mange af generne udtrykt i tomattrichome-acylsukkerproduktion havde nære slægtninge i rødderne. Efter at have identificeret et enzym, der menes at være det første trin i rodacylsukkerbiosyntese, begyndte forskerne at "brække bilen."

Da de slog rodacylsukker-kandidatgenet ud, forsvandt rodacylsukkerproduktionen, hvilket efterlod trichome-acylsukkerproduktionen urørt. I mellemtiden, da det velundersøgte trichome-acylsukker-gen blev slået ud, fortsatte produktionen af ​​rod-acylsukker som normalt.

Disse resultater gav et slående bevis på en formodet metabolisk spejling.

"Sammen med den overjordiske acylsukker-vej, vi har studeret i årevis, finder vi her dette andet parallelle univers, der eksisterer under jorden," sagde Last.

"Dette bekræftede, at vi har to veje, der eksisterer side om side i den samme plante," tilføjede Kerwin.

For at drive dette gennembrud hjem, så Jaynee Hart, en postdoc-forsker og anden forfatter på det seneste papir, nærmere på funktionerne af trichome og rodenzymer. Ligesom trichome-enzymer og de acylsukkere, de producerer, er et velundersøgt kemisk match, fandt hun også en lovende forbindelse mellem rodenzymer og rodacylsukkerene.

"At studere isolerede enzymer er et kraftfuldt værktøj til at fastslå deres aktivitet og drage konklusioner om deres funktionelle rolle inde i plantecellen," forklarede Hart.

Disse resultater var yderligere bevis på de parallelle metaboliske veje, der findes i en enkelt tomatplante.

"Planter og biler er så forskellige, men alligevel ens ved, at når man åbner den velkendte hætte, bliver man opmærksom på de mange dele og forbindelser, der får dem til at fungere. Dette arbejde giver os ny viden om en af ​​de dele i tomatplanter og tilskynder yderligere forskning i dets udvikling og funktion, og om vi kan gøre brug af det på andre måder," sagde Pankaj Jaiswal, programdirektør ved U.S. National Science Foundation.

"Jo mere vi lærer om levende ting - fra tomater og andre afgrøder til dyr og mikrober - jo bredere er mulighederne for at bruge denne læring til gavn for samfundet," tilføjede han.

Klynger i klynger

Papiret rapporterer også om en fascinerende og uventet drejning vedrørende biosyntetiske genklynger eller BGC'er. BGC'er er samlinger af gener, der er fysisk grupperet på kromosomet og bidrager til en bestemt metabolisk vej.

Tidligere identificerede det sidste laboratorium en BGC indeholdende gener knyttet til trichomeacylsukker i tomatplanter. Kerwin, Hart og deres samarbejdspartnere har nu opdaget, at det rodudtrykte acylsukker-enzym findes i den samme klynge.

"Normalt i BGC'er er generne co-udtrykt i det samme væv og under lignende forhold," sagde Kerwin.

"Men her har vi to separate, men indbyrdes forbundne grupper af gener. Nogle udtrykt i trikomer, og nogle udtrykt i rødder."

Denne afsløring fik Kerwin til at dykke ned i den evolutionære bane for Solanaceae-arter med håb om at identificere, hvornår og hvordan disse to unikke acylsukker-veje udviklede sig.

Specifikt henledte forskerne opmærksomheden på et øjeblik for omkring 19 millioner år siden, hvor enzymet, der er ansvarligt for trichomeacylsukker, blev duplikeret. Dette enzym ville en dag være ansvarlig for den nyopdagede rodudtrykte acylsukker-vej.

Den nøjagtige mekanisme, der "tændte" dette enzym i rødderne, er stadig ukendt, hvilket baner vejen for, at det sidste laboratorium kan fortsætte med at udpakke natskyggefamiliens evolutionære og metaboliske hemmeligheder.

"At arbejde med Solanaceae giver så mange videnskabelige ressourcer såvel som et stærkt fællesskab af forskere," sagde Kerwin. "Gennem deres betydning som afgrøder og i gartneri, er disse planter, mennesker har holdt af i tusinder af år."

Til sidst er disse gennembrud også en påmindelse om vigtigheden af ​​naturlige pesticider, som forsvarsmetabolitter såsom acylsukker i sidste ende repræsenterer.

"Hvis vi finder ud af, at disse rodacylsukkere er effektive til at frastøde skadelige organismer, kunne de så avles til andre natskygger og derved hjælpe planter med at vokse uden behov for skadelige syntetiske fungicider og pesticider?" Sidst spurgt.

"Dette er spørgsmål, der er kernen i menneskehedens stræben efter renere vand, sikrere mad og en reduceret afhængighed af skadelige syntetiske kemikalier."

Flere oplysninger: Rachel Kerwin et al., specialiserede tomatrodsmetabolitter udviklet gennem genduplikation og regulatorisk divergens inden for en biosyntetisk genklynge, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Michigan State University