Vědci objevili dříve neznámý rostlinný mechanismus – a jeho dopad by mohl být masivní

Vědci zjistili, že meiotický výstup dovnitř Arabidopsis Poháněno inhibicí translace zprostředkované P-tělesem

Albert Cairo, Karel Reha a jejich kolegové objevili dříve neidentifikovaný mechanismus přeprogramování genové exprese během přechodu, kdy se diferencuje buňka na buňku. Mechanismus nastává na konci meiózy, specializovaného buněčného dělení potřebného pro sexuální reprodukci, a umožňuje diferenciaci zárodečných buněk a pylových zrn.

Tento mechanismus zahrnuje dynamickou lokalizaci základních regulačních složek v intracelulárním kondenzátu připomínajícím kapičky kapaliny. Tento proces přímo souvisí s produkcí semen a může poskytnout nové způsoby, jak vytvářet udržitelnější plodiny, které vydrží drsné podmínky prostředí. Výsledky byly nedávno publikovány v prestižním časopise vědy.

Pole housenka květina zachycená světelným mikroskopem. Kredit: Středoevropský technologický institut – Masarykova univerzita

Buňky nejsou statické věci. Mění se z jednoho typu na druhý. Aktivace určité sady genů ovlivňuje, jak se buňky specializují na plnění konkrétních úkolů a kdy se dělí nebo diferencují. Buněční biologové jako Albert Cairo a Karel Reha používají řadu špičkových vědeckých metod ke zkoumání přesného světa rostlin. Buněčná biologie v současnosti prochází revolucí a tradiční perspektiva buněčné organizace se rozšiřuje do nových výšin.

„Nyní víme, že buňka obsahuje nejen konvenční, membránou definované organely, ale mnoho molekulárních procesů je omezeno na méně membránově specifické organely, nazývané také kondenzátory biomolekul (biokapacitory). Během posledních 10 let začal význam těchto biokondenzátorů být rozpoznán.“ Nyní přispíváme do této oblasti tím, že ukazujeme, jak se na konci meiózy tvoří specifický typ biokondenzace a inhibuje syntézu proteinů,“ vysvětluje Albert Cairo, první autor tohoto výzkumu.

„To na jedné straně končí procesy meiózy, ale na druhé straně to znamená začátek geneticky odlišné generace buněk,“ dodává Cairo. ale to není vše. Výzkumný tým věří, že podobné mechanismy fungují také v jiných organismech a buněčných prostředích, včetně buněčné diferenciace nebo stresových reakcí.

Objev členů laboratoře Karla Říhy by mohl mít obrovský společenský dopad.

Albert Cairo a Karel Říha. Kredit: Středoevropský technologický institut – Masarykova univerzita

„Žijeme v klimatické nouzi. Přestože rostliny dokážou odolat široké škále stresů, včetně vysokých teplot a sucha, jejich růst a reprodukce mohou být vážně narušeny. To znamená, že nám hrozí výrazné snížení výnosu úrody, jen když bude třeba výnos zvýšit, aby pokryl lidské potřeby. Proto by nyní měl být výzkum rostlin prioritou,“ vysvětluje korespondent a vedoucí výzkumné skupiny Karel Říha.

Primárním úkolem laboratoře je osvětlit základní biologické procesy úzce související s rozmnožováním rostlin a tvorbou semen, které se u mnoha plodin promítají do výnosu.

Výsledky výzkumu ukazují, že biomolekulární kondenzátory hrají důležitou roli v úrodnosti rostlin a jejich chování pravděpodobně souvisí se stresem prostředí. Je tedy jasné, že náš objev je prvním krokem k vývoji nových řešení, která vedou k udržitelné produkci plodin v extrémních podmínkách,“ vysvětluje Albert Cairo.

Technické techniky, které tým musel udělat, jsou opravdu působivé a tento výzkum byl publikován v roce vědy Buďte si jisti, že laboratoř Reha jde správným směrem.

Cesta k objevování

Studium meiózy v modelovém závodě Arabidopsis thaliana Je to zvláštní výzva. Výzkumný tým se zaměřil na vzácné a neobvyklé buňky ukryté v drobných květních poupatech 0,1-0,4 mm. Navíc fáze meiotického dělení, na které je studie zaměřena, probíhají rychle – celý proces trvá pět až šest hodin. Není proto snadné ji chytit. Výzkumný tým musí k prozkoumání tohoto procesu použít nejnovější technologii a velkou dávku kreativity a představivosti.

Říhův tým musel nastavit podmínky pro živé zobrazování meiózy v druhém orgánu (části tyčinky, která obsahuje pyl). Tým použil pokročilou mikroskopii a stal se jednou ze dvou laboratoří na světě schopných přímo monitorovat meiózu rostlin. Další základní odborností, kterou tým získal, bylo zvládnutí techniky protoplastů. Protoplasty jsou izolované rostlinné buňky, které byly zbaveny své okolní buněčné stěny, takže je lze snadno geneticky manipulovat a vizualizovat pod mikroskopem. Tato technika umožnila týmu vyřešit některé problémy rychleji a efektivněji než použití meiotických buněk.

Anna Vargová významně přispěla k pochopení nově popsaného složitého mechanismu. Pavlína Mikulková poskytla odborné znalosti a propůjčila svou kouzelnou ruku při zobrazování meiózy v živých buňkách pomocí mikroskopu Light-shit. Výzkumný tým byl podpořen ze zdrojů CEITEC CELLIM Core Facility a Plant Science Core Facility. Výzkum trval více než osm let a byl financován z stipendijního projektu REMAP pro mládež a sport MŠMT. „Bylo by velmi obtížné vyvinout tak složitý projekt bez dlouhodobého financování, které jsme měli. Vlastně jsem v určitém okamžiku cítil, že naše limity jsou jen naší představivostí, a myslím, že to bylo pro náš dlouhodobý objev,“ říká Albert Cairo.

Odkaz: „Meiotický exodus v Arabidopsis Poháněno inhibicí překladu zprostředkovanou P-tělesem od Alberta Káhiry, Anny Vargové, Nehy Shukla, Claudia Capitaa, Pavlíny Mikulkové, Soni Valuchové, Jany Pecinkové, Petry Bulánkové a Karla Říhy, 4. srpna 2022, vědy.
DOI: 10.1126 / science.abo0904

Zajímavé je, že tento projekt nezahrnoval žádnou externí spolupráci, což je u mezinárodních výzkumných ústavů, jako je CEITEC, neobvyklé. V tomto případě se výzkumný tým ubíral zcela novým směrem a výzkum uzavírali výhradně členové výzkumné skupiny Karla Říhy.