Ultralyse røntgenudbrud afslører, hvordan planter reagerer på lys inden for en brøkdel af et sekund

Forskere har afsløret indviklede strukturelle ændringer i planter, svampe og bakterier som reaktion på lys, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i dag i open-access journal eLife .

Resultaterne giver ny indsigt i funktionen af ​​proteinmolekyler kaldet fytokromer, der er til stede i disse tre typer organismer. Resultaterne kunne føre til værktøjer, der styrer fytokromernes funktion for at opnå mere effektive vækstmønstre i planter og afgrøder.

Planter tilpasser sig konstant til ændringer i lyset og styrer deres vækstmønstre i henhold til lysets tilgængelighed. De opnår dette gennem fytokromer, oprindelsen af ​​lysdetektion i al vegetation på Jorden. Fytokromer kan antage to forskellige former afhængigt af det tilgængelige lys. For at opnå denne formændring, en kaskade af signaler opstår, der starter ved kromoforen - det punkt i fytokromet, hvor lys absorberes.

"Fytokromet tillader organismer at skelne mellem to farver af lys, at give planter, svampe og bakterier primitivt tofarvet syn, " forklarer hovedforfatter Elin Claesson, en ph.d.-studerende ved Göteborgs Universitet, Sverige. "Nøglen til dens funktion er den første reaktion på lys, hvor lyssignalet omsættes til strukturelle ændringer over en brøkdel af et sekund. De mekanismer, der tillader denne oversættelse, er dårligt forstået, fordi teknologien til at studere fytokromer umiddelbart efter lyset når dem ikke tidligere har været tilgængelig."

For at løse dette hul, holdet ledet af Sebastian Westenhoff, Professor ved Institut for Kemi og Molekylærbiologi, Göteborg Universitet, og Marius Schmidt, Professor ved Fysisk Institut, University of Wisconsin-Milwaukee, OS, brugte en ny røntgenlaser, der kan fange billeder af proteiner på atomniveau hvert 10. femtosekund (en kvadrilliondel af et sekund). Dette gjorde dem i stand til at afsløre bevægelsen af ​​hver atomare komponent i phytochrom-proteinet og sammensætte den kaskade af begivenheder, der udløser vækst som reaktion på lys.

Holdet fandt overraskende store omlejringer af kromoforen og dens omgivende proteinstrukturer umiddelbart efter lysabsorption. De observerede vridningen af ​​en del af kromoforen kaldet D-ringen, hvilket igen forårsager forskydning af naboringene samt ændringer af atomer omkring kromoforen. Overraskende nok, de opdagede også frigivelsen af ​​et vandmolekyle, kaldet pyrrolvand, der findes på samme sted i phytochromes på tværs af alle organismer.

"Disse resultater viser, at den indledende reaktion på lys er meget kollektiv, og at mange dele af kromoforen og fytokromproteinet spiller en vigtig rolle, "slutter seniorforfatter Sebastian Westenhoff." Vores undersøgelse bekræfter en tidligere arbejdsmodel for D-ringens vridningsbevægelse og antyder, at pyrrol-vandmolekylet også er vigtigt i denne proces. Vi foreslår, at begge kemiske hændelser arbejder sammen, så phytochrome proteiner kan oversætte lys til strukturelle signaler, styrer vækst og udvikling af planter, svampe og bakterier på Jorden. "