У рослин немає очей і вух, але вони можуть бачити, чути, нюхати і реагувати на екологічні сигнали і небезпеки, особливо на вірулентні патогени. Вони роблять це за допомогою сотень мембранних білків, які можуть відчувати мікроби або інші стреси.
Тільки невелика частина цих чутливих білків вивчалася за допомогою класичної генетики, і знань про те, як ці датчики функціонують шляхом утворення комплексів один з одним, на сьогоднішній день дуже мало.
Тепер міжнародна команда дослідників з чотирьох країн, включаючи Шахіда Мухтара, доктора філософії та аспіранта Тімоті Хоутона з Університету Алабами в Бірмінгемі, створила першу мережеву карту для 200 з цих білків. На карті показано, як кілька ключових білків діють як провідні вузли, критичні для цілісності мережі, а також відображаються невідомі взаємодії.
«Це новаторська робота з виявлення першого шару взаємодій між цими білками», - сказав Мухтар, доцент кафедри біології. "Розуміння цих взаємодій може призвести до шляхів підвищення стійкості рослин до патогенів або до інших стресів, таких як спека, посуха, солоність або холодний шок. Це також може стати дорожньою картою для майбутніх досліджень вчених усього світу ". Дослідження опубліковано в журналі Nature.
Нова карта мережі повної взаємодії була зосереджена на одному з найбільш важливих класів цих чутливих білків - багатих лейцином рецепторних кіназах * або LRR-рецепторних кіназах, які структурно подібні до людських плацебоподібних рецепторів.
LRR-рецепторні кінази являють собою сімейство білків як у рослин, так і у тварин, які значною мірою відповідальні за сприйняття навколишнього середовища. У рослинах вони мають позаклітинний домен білка *, що виходить за межі клітинної мембрани, який може розпізнавати хімічні сигнали, такі як гормони росту або частини білків від патогенів. Потім рецепторні кінази ініціюють реакції на ці сигнали всередині клітини, використовуючи внутрішньоклітинний домен білка.
Рослина Arabidopsis thaliana містить понад 600 різних рецепторних кіназ - у 50 разів більше, ніж у людей, - які мають вирішальне значення для зростання рослин, розвитку, імунітету та стресової реакції. Досі тільки невелика їх частина мала відомі функції, і мало що було відомо про те, як рецептори можуть взаємодіяти один з одним для координації відповідей на сигнали, що виникають.
Для дослідження лабораторія Белхадіра перевірила взаємозв'язки між позаклітинними доменами рецепторів у парі, працюючи з більш ніж 400 позаклітинними доменами LRR-рецепторних кіназ і виконавши 40 000 тестів на взаємодію.
Позитивні взаємодії були використані для створення карти взаємодії, що показує, як ці рецепторні кінази взаємодіють один з одним, і було виявлено в цілому 567 високорівневих взаємодій.
Вчені проаналізували карту взаємодії рецепторів з використанням алгоритмів для генерації різних гіпотез, і ці передбачення були підтверджені в лабораторіях Белхадіра і Кирило Зіпфель, з лабораторія Сейнсбері, м. Норвіч, Великобританія.
В UAB Мухтар і Хоутон тестували 372 внутрішньоклітинних домени LRR-рецепторних кіназ, у яких позаклітинні домени показали високорівневі взаємодії, щоб переконатися, що внутрішньоклітинні домени також проявили сильні взаємодії. У більш ніж половині випадків виявилося, що утворення цих рецепторних комплексів потрібне для сприйняття сигналу і подальшої передачі сигналу. Це також вказує на валідацію біологічного значення взаємодії позаклітинного домену.
Лабораторія Шахіда Мухтара в UAB вивчила майже всі внутрішньоклітинні області LRR-рецепторних кіназ Arabidopsis. «Це частина зусиль спрямована на те, щоб зрозуміти, як рослини реагують на патогени або як патогени захоплюють імунну систему», - говорить Мухтар.
Дослідження Nature включало два великих сюрпризи, каже Адам Мотт, доктор філософії з Університету Торонто. По-перше, LRR-рецепторні кінази з невеликими позаклітинними доменами частіше взаємодіють з іншими кіназами LRR-рецепторів, ніж ті, які мають великі домени. Це говорить про те, що невеликі рецепторні кінази еволюціонували для координації дій інших рецепторів. По-друге, дослідники ідентифікували кілька невідомих LRR-рецепторних кіназ, які є критичними для цілісності мережі.
Було передбачено, що найбільш важливий з них, що отримав назву APEX, викликав серйозні збої в решті мережі, якщо його видалити. Дослідники виявили, що видалення APEX і декількох інших відомих LRR-рецепторних кіназ дійсно порушувало розвиток рослин і їх імунні відповіді, навіть незважаючи на те, що ці реакції контролюються рецепторними кіназами в декількох мережевих кроках від вузла APEX.
Це нове розуміння того, як взаємодіють рецепторні кінази, може допомогти дослідникам визначити важливі рецепторні кінази, які можуть модифікувати реакції на патогени в комерційних культурах, щоб зробити їх стійкими до екологічних стресів, таких як глобальне потепління і патогенні мікроорганізми.
«Мережа, розроблена в цьому дослідженні, дозволяє майбутнім дослідникам зрозуміти раніше невідомий зв'язок цих рецепторів», - сказав Хоутон. «Ці знання можуть бути використані для кращого розуміння того, як рослини сприймають своє середовище в повному контексті рецепторів рослинної клітини».