Перед отмиранием листа растения восстанавливают питательные вещества, которые остальная часть растения может повторно использовать для роста и выживания. Ученые выявили метаболическую «точку невозврата», связанную с аминокислотой аргинином. Исследование предполагает, что растения используют аргинин в качестве сигнала, определяющего, возможно ли восстановление или клетки должны погибнуть. Это открытие в конечном итоге может помочь повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к стрессовым факторам окружающей среды.
Для растений время имеет решающее значение. Стареющие листья должны оставаться живыми достаточно долго, чтобы передавать питательные вещества остальной части растения, но в конечном итоге программа старения становится необратимой. Этот баланс становится особенно важным в условиях стресса окружающей среды. Например, если засуха со временем ослабевает, растения все еще могут восстановиться и возобновить рост. Однако при длительном стрессе клетки листьев могут в конечном итоге пройти точку невозврата, за которой восстановление становится невозможным.
Исследование ученых из Центра изучения растений Университета Умео, опубликованное в журнале Nature Plants, показывает, что аргинин действует как метаболический индикатор процесса рециркуляции питательных веществ. Пока уровень аргинина остается высоким, клетки сохраняют возможность восстановления. Когда уровень аргинина падает ниже определенного порога, клетки подвергаются необратимой гибели.
«Клетки в отмирающем листе проходят тщательно скоординированную программу переработки. Молекулярные механизмы, лежащие в основе этой программы, все лучше изучены, но то, что сообщает стареющей клетке о завершении переработки питательных веществ и о том, что пора умирать, оставалось загадкой», — говорит Оливье Кич, доцент Университета Умео и старший автор исследования.
Чтобы выявить молекулы, которые могли бы помочь клеткам отслеживать процесс рециркуляции питательных веществ, Кич и его научные сотрудники Шах Хуссейн и Клеман Буссардон исследовали группу мутантных растений Arabidopsis, известных как «остающиеся зелеными» мутанты. В отличие от обычных растений, эти мутанты не завершают процесс старения и сохраняют свои зеленые листья гораздо дольше.
Предыдущие исследования показали, что у мутантов с признаком «зеленого цвета» накапливается необычно высокий уровень аминокислот, что указывает на нарушение экспорта питательных веществ. Это важно, поскольку аминокислоты содержат азот — питательное вещество, которое растения тщательно перерабатывают из стареющих листьев перед их отмиранием. Поэтому исследователи предположили, что определенные аминокислоты могут обеспечивать обратную связь относительно эффективности процесса переработки азота.
Затем исследователи проверили, могут ли отдельные аминокислоты влиять на старение. Среди протестированных аминокислот выделялся аргинин. Листья, обработанные аргинином, оставались зелеными значительно дольше, чем необработанные листья, что указывает на то, что высокий уровень аргинина активно замедляет старение.
При более детальном изучении исследователи обнаружили, что стареющие листья активируют транспортные системы, которые снижают уровень аргинина. У мутантов с признаком «зеленого цвета» транспортные системы не были активированы, что позволило аргинину накапливаться. Чтобы определить, является ли истощение аргинина просто следствием старения или неотъемлемой частью этого процесса, исследователи восстановили транспорт аргинина у мутантов с признаком «зеленого цвета».
«Сначала мы не думали, что такой распространенный метаболит, как аргинин, может играть столь важную роль в старении листьев. Прозрение пришло, когда мы увидели, что восстановления функционального транспорта аргинина достаточно для восстановления нормального старения у мутантов, сохраняющих зеленый цвет листьев», — говорит Кич.
Результаты показали, что истощение клеточного запаса аргинина достаточно для запуска процесса отмирания листьев. Исследователи пришли к выводу, что растения используют уровень аргинина для мониторинга того, насколько продвинулся процесс рециркуляции питательных веществ, и для точного определения момента перехода к клеточной смерти. Клетки интерпретируют истощение запаса аргинина как сигнал о том, что ремобилизация питательных веществ в значительной степени завершена и что заключительная программа клеточной смерти может быть продолжена.
Этот переход определяет, смогут ли листья восстановиться после стресса. Понимание того, как растения контролируют эту точку невозврата, в конечном итоге может помочь исследователям разработать сельскохозяйственные культуры, которые дольше сохраняют устойчивость в неблагоприятных условиях.
Источник: Umea University. Автор: Энн Хонсел.
На заглавном фото: для изучения механизмов, контролирующих старение листьев, исследователи покрыли отдельные листья арабидопсиса алюминиевой фольгой, чтобы запустить программу, предшествующую гибели клеток. Автор фото: Энн Хонсел.