Hvordan planter takler stress: Planter reagerer på miljøfarer ved å "merke" RNA-molekyler de trenger for å tåle de tørre forholdene, ifølge en ny studie

Fremtiden ser utfordrende ut for planter. Klimaendringer er spådd å bringe utbredt tørke til deler av planeten som allerede sliter med tørre forhold. For å dempe de potensielt ødeleggende effektene for landbruket, forskere søker etter strategier for å hjelpe planter til å motstå ekstreme miljøfarer, inkludert tørke og saltstress, et problem som forverres når vannet vann passerer gjennom jorda, avsetning av salter som kan absorberes av planterøtter, redusere deres samlede produktivitet.

En ting er å se på hvordan planter naturlig har utviklet seg for å takle påkjenninger som for mye salt. I en ny studie ute i Cellerapporter, forskere ledet av University of Pennsylvania biolog Brian D. Gregory og hovedfagsstudent Stephen J. Anderson har identifisert en mekanisme som potensielt kan manipuleres for å utvikle mer salttolerante avlinger.

Arbeidet deres viser at et lite merke på RNA-molekyler - transkripsjonene som er oversatt til å produsere proteiner - tjener til å stabilisere og beskytte disse strengene av genetisk materiale. Når planter utsettes for forhold med mye salt, RNA-merket N⁶-metyladenosin, eller m⁶EN, forhindrer nedbrytning av transkripsjoner som koder for proteiner som hjelper planter mer effektivt å håndtere de utfordrende forholdene.

«Dette er hvordan vi skal hjelpe bøndene,sier Gregory, en førsteamanuensis i biologi i School of Arts and Sciences, og seniorforfatteren på papiret. "Vi må identifisere måter vi kan lage mer salt- og tørkebestandige planter på, og å manipulere denne veien kan være en måte å gjøre det på.»

For at en organisme skal produsere noe protein, den må først ha den tilsvarende tråden av messenger RNA (mRNA). Men ikke alle mRNA-er omdannes til proteiner - noen blir degradert før de når det stadiet. I de senere år, både pattedyr- og plantebiologer har vært oppmerksomme på m⁶Et merke som en aktør i prosessen der mRNA er målrettet for å enten beholde eller ødelegge.

"Det har vært en eksplosjon av interesse for dette merket,sier Gregory. "Det har blitt funnet å være den mest tallrike interne modifikasjonen i mRNA."

Hos pattedyr, hoveddelen av forskningen peker på merket som merker mRNA for ødeleggelse. Og, mens noen studier har antydet at det kan fungere på samme måte i planter, Gregory, Anderson og kollegene ønsket å få et mer globalt syn.

Analyserer blader fra modne Arabidopsis, forskerne globalt identifiserte m⁶A i normale planter så vel som i de der enzymet som tilfører m⁶A hadde blitt eliminert, og dermed eksperimentelt tømme dem for merket.

De fant at avskrifter som var rikelig når de ble markert med m⁶A i de normale plantene var mye lavere i m⁶A-utarmede mutante planter, et tegn på at merket fungerte i en beskyttende egenskap for å stabilisere utskriftene.

Sammenligner de normale og mutante plantene nøye, teamet fant ut at m⁶EN, når tilstede, beskyttet transkripsjonene ved å forhindre at et enzym bryter ned dem. Når dette merket manglet, transkripsjonene ble spaltet og deretter degradert.

«Det var litt serendipitalt,sier Anderson, "men det viste seg at denne destabiliseringen skjedde rett ved siden av hvor disse merkene skulle ha vært, men ikke var i den eksperimentelle gruppen av planter."

Det neste trinnet var å spørre hvorfor plantene kan ha utviklet denne mekanismen i utgangspunktet. Forskerne hadde hint om at m⁶En merking kan være involvert i stressrespons, å dømme ut fra de berørte genene mellom de normale og mutante plantene. Men, å sette det på prøve, de dyrket planter i en jord med høyt saltinnhold og gjentok eksperimentene sine.

Saltbehandlingen, de oppdaget, fikk planter til å feste flere m⁶A-merker på mRNA-transkripsjoner assosiert med å reagere på saltstress, samt tørkestress. Med andre ord, plantene satte seg fast for å takle en miljøutfordring.

"Dette gir planter en dynamisk og virkelig kraftig mekanisme for å regulere stressrespons,sier Gregory. "Du kan flytte dette merket til transkripsjoner du vil beholde."

"Det er også bevis,sier Anderson, "at planter kan være i stand til å aktivt fjerne merket fra transkripsjoner de ikke trenger. Vi undersøker fortsatt den mekanismen."

"Denne jobben,” sier Karen Cone på National Science Foundation, som finansierte forskningen, "gir spennende ny forståelse av hvordan genomisk informasjon samhandler med signaler fra miljøet for å produsere gunstige resultater for organismen. Resultatene lover å åpne døren for fremtidige oppdagelser av hvordan organismer bruker RNA-baserte mekanismer for å opprettholde robustheten og tilpasningsevnen de trenger for å overleve i møte med skiftende miljøer, et funn som er direkte relevant for en av NSFs 10 Store ideer, Forstå livets regler: Forutsi fenotype.”

I ytterligere oppfølgingsforsøk, Gregorys laboratorium vil undersøke dette merkets involvering i andre stressende situasjoner for planter, som når de er utsatt for skade fra organismer som bakterier eller sopp. Gregory og kolleger planlegger også å forfølge eksperimenter med plantearter som er viktige for landbruket, som soyabønner.

Ytterligere studier kan også hjelpe dem med å finne mekanismen som planter fester dette merket til transkripsjoner på, hjelpe til med utviklingen av strategier for konstruksjonsanlegg som bedre kan motstå de utfordrende forholdene som tørker utgjør.