Wissenschaftler entdecken einen bisher unbekannten Pflanzenmechanismus – und seine Auswirkungen könnten enorm sein

Wissenschaftler finden diesen meiotischen Ausgang in Arabidopsis Angetrieben durch Hemmung der durch P-Körper vermittelten Translation

Albert Cairo, Karel Reha und ihre Kollegen entdeckten einen bisher nicht identifizierten Mechanismus zur Reprogrammierung der Genexpression während des Übergangs, wenn sich Zelle zu Zelle differenziert. Der Mechanismus tritt am Ende der Meiose auf, einer spezialisierten Zellteilung, die für die sexuelle Fortpflanzung erforderlich ist, und ermöglicht die Differenzierung von Keimzellen und Pollenkörnern.

Dieser Mechanismus beinhaltet die dynamische Lokalisierung wesentlicher regulatorischer Komponenten in intrazellulärem Kondensat, das Flüssigkeitströpfchen ähnelt. Dieser Prozess steht in direktem Zusammenhang mit der Saatgutproduktion und kann neue Wege zur Erzeugung nachhaltigerer Pflanzen eröffnen, die rauen Umweltbedingungen standhalten. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaften.

Feldraupenblüte, aufgenommen mit einem Lichtmikroskop. Bildnachweis: Mitteleuropäisches Technologieinstitut – Masaryk-Universität

Zellen sind keine statischen Dinge. Sie wechseln von einem Typ zum anderen. Die Aktivierung eines bestimmten Satzes von Genen wirkt sich darauf aus, wie sich Zellen auf die Erfüllung bestimmter Aufgaben spezialisieren und wann sie sich teilen oder differenzieren. Zellbiologen wie Albert Cairo und Karel Reha nutzen eine Reihe modernster wissenschaftlicher Methoden, um die genaue Welt der Pflanzen zu erforschen. Die Zellbiologie erlebt derzeit eine Revolution, wobei die traditionelle Perspektive der Zellorganisation auf neue Höhen erweitert wird.

„Wir wissen jetzt, dass die Zelle nicht nur herkömmliche, membrandefinierte Organellen enthält, sondern dass viele molekulare Prozesse in weniger membranspezifischen Organellen, auch Biomolekül-Kondensatoren (Biokondensatoren) genannt, eingeschlossen sind. In den letzten 10 Jahren hat die Bedeutung dieser Biokondensatoren begonnen erkannt werden.“ Wir tragen nun zu diesem Gebiet bei, indem wir zeigen, wie sich am Ende der Meiose eine bestimmte Art von Biokondensation bildet und die Proteinsynthese hemmt“, erklärt Albert Cairo, Erstautor dieser Forschungsarbeit.

„Das beendet einerseits die Prozesse der Meiose, markiert aber andererseits den Beginn einer genetisch anderen Zellgeneration“, ergänzt Cairo. aber das ist noch nicht alles. Das Forschungsteam glaubt, dass ähnliche Mechanismen auch in anderen Organismen und zellulären Umgebungen am Werk sind, einschließlich Zelldifferenzierung oder Stressreaktionen.

Die Entdeckung durch Mitglieder des Labors von Karel Riha könnte enorme gesellschaftliche Auswirkungen haben.

Albert Kairo und Karel Riha. Bildnachweis: Mitteleuropäisches Technologieinstitut – Masaryk-Universität

„Wir leben in einem Klimanotstand. Obwohl Pflanzen einer Vielzahl von Belastungen standhalten können, einschließlich hoher Temperaturen und Trockenheit, können ihr Wachstum und ihre Vermehrung stark beeinträchtigt werden. Dies bedeutet, dass wir nur dann von einer erheblichen Verringerung des Ernteertrags bedroht sind, wenn der Ertrag erhöht werden muss, um den menschlichen Bedarf zu decken. Deshalb sollte die Pflanzenforschung jetzt Priorität haben“, erklärt der korrespondierende Autor und Forschungsgruppenleiter Karel Riha.

Die Hauptaufgabe des Labors besteht darin, die grundlegenden biologischen Prozesse zu beleuchten, die eng mit der Pflanzenvermehrung und der Samenbildung zusammenhängen, die sich in vielen Kulturpflanzen in Erträgen niederschlagen.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass biomolekulare Kondensatoren eine wichtige Rolle bei der Pflanzenfruchtbarkeit spielen und ihr Verhalten wahrscheinlich mit Umweltstress zusammenhängt. Es ist also klar, dass unsere Entdeckung der erste Schritt zur Entwicklung neuer Lösungen ist, die zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion unter extremen Bedingungen führen“, erklärt Albert Cairo.

Die technischen Techniken, die das Team anwenden musste, sind wirklich beeindruckend, und diese Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaften Seien Sie versichert, dass das Reha-Labor in die richtige Richtung geht.

Der Weg zur Entdeckung

Untersuchung der Meiose in einer Modellpflanze Arabidopsis thaliana Es ist eine besondere Herausforderung. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf seltene und ungewöhnliche Zellen, die in winzigen 0,1–0,4 mm großen Blütenknospen versteckt sind. Darüber hinaus treten die Phasen der meiotischen Teilung, auf die sich die Studie konzentriert, schnell auf – der gesamte Prozess dauert fünf bis sechs Stunden. Daher ist es nicht einfach, es zu fangen. Um diesen Prozess zu erforschen, muss das Forschungsteam mit modernster Technik und viel Kreativität und Vorstellungskraft vorgehen.

Rihas Team musste Bedingungen für die Live-Bildgebung der Meiose im anderen Organ (dem Teil des Staubblatts, das den Pollen enthält) schaffen. Das Team nutzte fortschrittliche Mikroskopie und wurde zu einem von zwei Labors weltweit, die in der Lage sind, Pflanzenmeiose direkt zu überwachen. Eine weitere Kernkompetenz des Teams war die Beherrschung der Protoplastentechnik. Protoplasten sind isolierte Pflanzenzellen, die ihrer umgebenden Zellwand beraubt wurden, wodurch sie leicht genetisch manipuliert und unter einem Mikroskop sichtbar gemacht werden können. Diese Technik ermöglichte es dem Team, einige Probleme schneller und effizienter zu lösen als mit meiotischen Zellen.

Anna Vargova hat wesentlich zum Verständnis des neu beschriebenen komplexen Mechanismus beigetragen. Pavlina Mikulkova stellte Fachwissen zur Verfügung und half bei der Live-Cell-Bildgebung der Meiose mit einem Light-Shit-Mikroskop. Unterstützt wurde das Forschungsteam von der CEITEC CELLIM Core Facility und der Plant Science Core Facility. Die Forschung dauerte über acht Jahre und wurde vom REMAP Youth and Sports Scholarship Project des tschechischen Bildungsministeriums finanziert. „Ohne die langfristige Finanzierung, die wir hatten, wäre es sehr schwierig, ein so komplexes Projekt zu entwickeln. Tatsächlich hatte ich irgendwann das Gefühl, dass unsere Grenzen nur unsere Vorstellungskraft waren, und ich denke, das war entscheidend für unsere langfristige Entwicklung.“ Entdeckung“, sagt Albert Cairo.

Referenz: „Meiotischer Exodus in Arabidopsis Angetrieben von P-Körper-vermittelter Übersetzungshemmung von Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova und Karel Riha, 4. August 2022, Wissenschaften.
DOI: 10.1126 / science.abo0904

Interessanterweise beinhaltete dieses Projekt keine externe Zusammenarbeit, was für internationale Forschungsinstitute wie CEITEC ungewöhnlich ist. In diesem Fall schlug das Forschungsteam eine völlig neue Richtung ein und die Forschung wurde ausschließlich von Mitgliedern der Forschungsgruppe von Karel Riha durchgeführt.