Pflanzen reagieren auf Umweltbelastungen durch „tagging“ RNA-Moleküle, die sie benötigen, um die schwierigen Bedingungen zu widerstehen

Die Zukunft sieht eine Herausforderung für Pflanzen. Der Klimawandel wird voraussichtlich weitverbreitete Trockenheit bringen Teile des Planeten bereits mit Trockenheit zu kämpfen. Um die potenziell verheerenden Auswirkungen für die Landwirtschaft, suchen Forscher Strategien, die Pflanzen widerstehen extremen Gefahren für die Umwelt einschließlich trocken- und salzstress, ein Problem noch verschärft, wenn bewässerte Wasser durch den Boden geht, Hinterlegung Salze, die dann von Pflanzenwurzeln, senken ihre Gesamtproduktivität aufgenommen werden kann.

Ein Tack ist nach Wegen suchen, die Pflanzen natürlich entwickelt haben, um Belastungen wie z.B. zuviel Salz zu bewältigen. In einer neuen Studie, in Zelle Berichtenhaben Forscher unter der Leitung von Universität von Pennsylvania Biologen Brian D. Gregory und Doktorand Stephen J. Anderson einen Mechanismus, der möglicherweise manipuliert werden könnte, um weitere salztoleranten Pflanzen entwickeln.

Ihre Arbeit zeigt, dass eine kleine Markierung auf RNA-Moleküle-die Transkripte, die übersetzt werden, um Proteine zu produzieren – dient dazu, stabilisieren und schützen diese Stränge des genetischen Materials. Wenn Pflanzen mit hohem Salzgehalt Bedingungen ausgesetzt sind, die RNA kennzeichnen, bekannt als N6-Methyladenosine oder m6A, verhindert die Aufschlüsselung der Transkripte kodieren Proteine, die helfen, Pflanzen, die mehr mit den schwierigen Bedingungen effektiv umgehen.

„Dies ist, wie wir gehen, um Bauern zu helfen“, sagt Gregory, Associate Professor in Penns Fachbereich Biologie in der School of Arts and Sciences und der senior-Autor auf dem Papier. „Wir brauchen Möglichkeiten, die wie wir Salz widerstandsfähiger machen und trockenheitsresistente Pflanzen zu identifizieren, und manipulieren dieser Weg wäre eine Möglichkeit, es zu tun.“

Für den Organismus, jedes Protein zu produzieren muss es zuerst die entsprechende Komponente der Boten-RNA (mRNA) besitzen. Aber nicht alle mRNAs in Proteine umgewandelt werden; Einige sind abgebaut, bevor sie diese Stufe zu erreichen. In den letzten Jahren haben Säugetieren und Pflanze Biologen m6A Mark als Spieler dabei Aufmerksamkeit wurde durch die mRNAs ausgerichtet sind, um herum zu halten oder zu zerstören.

„Es gab eine Explosion des Interesses an dieser Marke,“, sagt Gregory. „Es ist gefunden worden, zu der am häufigsten vorkommende interne Änderung in mRNA.“

Bei Säugetieren weist der Großteil der Forschung bis zur Markierung, Kennzeichnung von mRNA für Zerstörung. Und während einige Studien, es vorgeschlagen haben kann Funktion die gleiche Weise in Pflanzen, Gregory, Anderson und Kollegen wollten eine globalere Ansicht zu erhalten.

Analysieren Blätter von Reifen Arabidopsis, identifizierten die Forscher weltweit m6A in normalen Pflanzen ebenso wie diejenigen in denen das Enzym, das m6A fügt beseitigt hatte, so experimentell erschöpfen sie der Marke.

Sie fanden, dass Transkripte, die reichlich wenn m6A in den normalen Pflanzen geprägt waren viel niedriger in den m6A-abgereicherte mutierte Pflanzen, ein Zeichen, dass die Marke in eine schützende Funktion, die Protokolle zu stabilisieren handelte.

Eng vergleicht man die normale und die mutierten Pflanzen, fand das Team, dass m6A, sofern vorhanden, die Transkripte geschützt indem Sie verhindern, dass ein Enzym entwürdigend sie. Wenn diese Markierung fehlte, waren die Transkripte gespalten und anschließend abgebaut.

„Es war Art von glücklichen Zufälle,“ Anderson sagt, „aber es stellte sich heraus, dass diese Destabilisierung auftrat, direkt wo diese Markierungen hätte aber waren nicht in der experimentellen Gruppe von Pflanzen.“

Der nächste Schritt war zu Fragen, warum die Pflanzen dieser Mechanismus in erster Linie entwickelt haben könnte. Die Forscher hatten Hinweise darauf, dass m6A Kennzeichnung in Stress-Reaktion beteiligt sein könnten die betroffenen Gene zwischen den normalen und mutierten Pflanzen nach zu urteilen. Aber um es auf die Probe gestellt, sie wuchsen Pflanzen in einem hohem Salzgehalt Boden und wiederholt ihre Experimente.

Die Salz Behandlung, sie entdeckt, verursacht Pflanzen mehr m6A Markierungen auf mRNA Transkripte Zusammenhang mit der Bearbeitung salzstress sowie Trockenstress anzubringen. Das heißt, wurden die Pflanzen selbst zu bewältigen, eine umweltpolitische Herausforderung sammeln.

„Diese Pflanzen einen dynamische und wirklich mächtigen Mechanismus zur Regulierung der Stress-Reaktion“, sagt Gregory. „Sie können diese Markierung auf Transkripte zu halten um gewünschte verschieben.“

„Es gibt auch Hinweise,“ Anderson sagt, „Pflanzen aktiv werden können entfernen die Markierung von Abschriften, die sie nicht benötigen. Wir sind immer noch diesen Mechanismus untersucht.“

„Diese Arbeit“, sagt Karen Cone bei der National Science Foundation, die die Forschung finanziert, „bietet spannende neue Verständnis Signale aus der Umwelt vorteilhafte Ergebnisse für den Organismus produzieren wie genomischen Daten interagiert. Die Ergebnisse versprechen, öffnen die Tür für künftige Entdeckungen wie Organismen RNA-basierten Mechanismen verwenden, um beizubehalten, die Robustheit und Anpassungsfähigkeit, die sie benötigen, um zu überleben angesichts der wechselnden Umgebungen, ein Befund, der einer der NSF 10 große Ideen direkt relevant ist, Die Regeln des Lebens zu verstehen: Vorhersage Phänotyp. „

In weitere Follow-up-Experimente untersuchen Gregory Labor diese Marke Beteiligung in anderen Stresssituationen für Pflanzen, wie wenn sie Schäden durch Organismen wie Bakterien oder Pilze unterliegen. Gregory und Kollegen planen auch Experimente in der Pflanzenarten, die wichtig für die Landwirtschaft, wie Sojabohnen zu verfolgen.

Weiterer Untersuchungen kann ihnen auch helfen, NULL auf den Mechanismus, durch die Pflanzen diese Marke auf Transkripte legen, helfen bei der Entwicklung von Strategien für technische Anlagen, die die schwierigen Bedingungen besser widerstehen können durch Trockenheit gestellt.

Weitere Informationen:
Stephen J. Anderson Et Al, N6-Methyladenosine hemmt die lokalen Ribonucleolytic Spaltung zu stabilisieren mRNAs in Arabidopsis, Cell Reports (2018). DOI: 10.1016/j.celrep.2018.10.020

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