Покой, определяемый как подавление прорастания зерна в условиях окружающей среды, неблагоприятных для прорастания, является важнейшим процессом для выживания злаковых и других растений. В культурном земледелии управление периодом покоя через селекцию является одной из важнейших задач для решения таких проблем, как прорастание в колосе еще в поле или плохая всхожесть после хранения. Выявлением механизмов покоя обычно занимаются междисциплинарные команды исследователей, потому что этот процесс крайне сложный на молекулярном уровне.
В дикой природе более длительный период покоя семян обеспечивает своего рода страховку, увеличивая шансы на благоприятные погодные условия.
В коммерческом контексте, где ячмень используется для соложения, пивоварения и дистилляции, умеренная продолжительность периода покоя желательна для предотвращения потерь качества из-за прорастания до сбора урожая, когда зерно прорастает до уборки урожая, еще находясь на колосе.
Однако для пивоваренной и смежных отраслей промышленности также важно, чтобы зерно легко прорастало после короткого периода хранения. Таким образом, продолжительность периода покоя является важным критерием отбора для селекционеров ячменя, и небольшое количество контролирующих генов изучалось на протяжении многих лет.
Новое открытие, сделанное исследователями из Университета Аделаиды, Австралия, в сотрудничестве с датской исследовательской лабораторией Carlsberg, позволит селекционерам ячменя оптимизировать период покоя семян, а фермерам— повысить эффективность выращивания.
Исследователи использовали междисциплинарный подход для создания ферментно-субстратного комплекса митоген-активированной протеинкиназы (mitogen-activated protein kinase, MAPK) ячменя, которая играет решающую роль в периоде покоя семян. Работа опубликована в Международном журнале молекулярных наук (International Journal of Molecular Sciences).
Ранние QTL-анализы выявили два локуса покоя у семян ячменя. Было показано, что ген покоя в одном из этих локусов кодирует аланин-аминотрансферазу (alanine aminotransferase, AlaAT), которая может играть биохимическую роль в эмбрионе, связывая метаболизм азота и углерода с синтезом белка, поскольку сахара и аминокислоты высвобождаются из запасных белков и крахмала в процессе прорастания.
Было показано, что связанный с покоем ген в другом QTL кодирует митоген-активированную протеинкиназу (MAPK), а именно митоген-активированную протеинкиназу 3 ячменя (mitogen-activated protein kinase kinase 3, MKK3).
Важность фермента MKK3 была подтверждена исследователями, которые описали антропогенный отбор гаплотипов MKK3 после одомашнивания и показали, что мутантная линия ячменя со стоп-кодоном в гене MKK3 находится в «полностью спящем» состоянии.
Митогены — это молекулы, участвующие в передаче сигналов, которые усиливают митоз, происходящий после прорастания зерен, когда клетки зародыша быстро делятся, расширяются и удлиняются по мере того, как колеориза и колеоптиль проталкиваются наружу из зерна.
Митоген-активируемые протеинкиназы у ячменя и других растений организованы в виде ряда ферментов, идущих от митогенного рецептора, обычно расположенного на плазматической мембране, через каскад киназ, который в конечном итоге активирует факторы транскрипции в ядре. Каскад MAPK включает в себя прогрессивное фосфорилирование и активацию отдельных ферментов. Факторы транскрипции опосредуют перепрограммирование транскрипции в соответствии с сигналами окружающей среды или развития.
«Было очень интересно создавать ферментно-субстратные комплексы MKK3/MAPK, используя инструменты химии, биохимии, биофизики, структурной биологии, генетики и биоинформатики. Выявленная нами структурная модель может повлиять на селекцию растений и производство продуктов питания, например, за счет оптимизации периода покоя зерна и предотвращения нежелательного прорастания до сбора урожая, когда зерно прорастает до уборки», — говорит соавтор, профессор Мария Хрмова из Университета Аделаиды.
Соавтор исследования, профессор Джефф Финчер из Университета Аделаиды, сказал, что работа способствовала значительному прогрессу в понимании покоя семян. «Мы обнаружили механизмы с помощью компьютерного моделирования взаимодействия белков и определили субстрата аденозинтрифосфата (ATP), а также перенос фосфатной группы на нижестоящий фермент MAPK, что привело к его активации. В работе также были уточнены эволюционные аспекты естественного и антропогенного отбора, которые регулируют переход от состояния покоя семян к их прорастанию в различных условиях окружающей среды и коммерческих условиях».
Это открытие дополняет существующие знания о генетических основах покоя семян ячменя в довершение к двум ранее определенным локусам. Профессор Хрмова заявила, что это открытие может иметь значение для целого ряда других сельскохозяйственных культур, таких как рис: «Наша работа повлияет на селекцию растений с использованием пангенома, применяя ресурсы, связанные с множеством генетических вариантов, для определения комбинированного воздействия вариаций на структуру и функцию белка. Это облегчит будущие манипуляции с продолжительностью периода покоя семян растений в различных условиях».
Источник: University of Adelaide.