گیاهان گرما را احساس می کنند: چگونه یک "دماسنج" پروتئینی به گیاهان کمک می کند تا با آب و هوا سازگار شوند

توسط جولیا وگت، موسسه لایب‌نیتس برای محصولات گیاهی و زینتی

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

گیاهان به طور مداوم با تغییرات محیطی سازگار می شوند و دما یک سیگنال کلیدی برای رشد و گلدهی است. چگونگی عملکرد دماسنج های گیاهی یا «حسگرهای حرارتی» در سطح مولکولی به خوبی درک نشده است.

یک تیم بین المللی به سرپرستی پروفسور دکتر فیلیپ ویگ از موسسه علوم باغبانی لایبنیتس (IGZ)، با همکاری موسسه فیزیولوژی گیاهی مولکولی ماکس پلانک و موسسه کارولینسکا (سوئد)، چگونگی واکنش تنظیم کننده مولکولی COP1 به دما را بررسی کردند. در دماهای بالاتر، COP1 ساختار را تغییر می دهد و رشد گیاه را روشن و فعال می کند.

COP1 (Constitutive PHOTOMORPHOGENESIS 1) یک تنظیم کننده کلیدی در سیگنال دهی گیاه است. با ادغام سیگنال های نور و دما در تنظیم رشد و نمو نقش دارد. COP1 به پروتئین های دیگر متصل می شود و باعث تخریب سایر پروتئین ها می شود.

با استفاده از روش‌های مولکولی و بیوفیزیکی، تیم تحقیقاتی اکنون در گیاه مدل Arabidopsis thaliana (شاهی تال) نشان می‌دهد که COP1 فعالیت خود را از طریق مکانیسم پاسخ‌دهنده به دما که در خود پروتئین تعبیه شده تنظیم می‌کند. این پروتئین دو شکل ساختاری متفاوت را اتخاذ می کند.

در دماهای پایین تر، عمدتا به شکل بسته و کمتر فعال وجود دارد. یک ناحیه کوتاه در یک انتهای پروتئین COP1 حاوی دو اسید آمینه متوالی است - والین و پرولین که به اختصار VP نامیده می شود. این ناحیه می تواند به یک سایت در COP1، به نام دامنه WD40، که پروتئین های هدف به طور معمول در آن متصل می شوند، متصل شود.

در دماهای پایین تر، این تعامل داخلی COP1 را در یک ترکیب بسته و کمتر فعال نگه می دارد و به عنوان یک چفت داخلی عمل می کند. سایر پروتئین ها، از جمله تنظیم کننده رشد HY5، دسترسی کمتری به محل اتصال دارند.

با افزایش دما، تعامل داخلی به طور فزاینده ای شل می شود و COP1 شکل بازتری به خود می گیرد. محل اتصال در دسترس تر می شود و به COP1 اجازه می دهد تا پروتئین های دیگر را متصل کرده و آنها را برای تخریب علامت گذاری کند. در نتیجه، فراوانی پروتئین های هدف مانند HY5 کاهش می یابد و رشد گیاه دیگر مهار نمی شود. بنابراین تغییر ساختاری در COP1 بر سیگنال‌هایی که در داخل نیروگاه منتقل می‌شوند تأثیر می‌گذارد.

محققان به طور خاص موتیف VP و میل اتصال آن به دامنه WD40 را اصلاح کردند. این به آنها اجازه داد تا بر دمایی که در آن COP1 فعال می شود، و همچنین میزان واکنش گیاهان به تفاوت های دما تأثیر بگذارند. تغییرات طبیعی در توالی اسید آمینه COP1 نیز با واکنش‌های دمایی تغییر یافته مرتبط است.

علاوه بر این، این تیم توالی های پروتئینی از گونه های مختلف گیاهی را مقایسه کردند. جالب اینجاست که گیاهانی که از آب و هوای خنک‌تر هستند، COP1 انعطاف‌پذیرتری دارند که در مقایسه با گیاهان آب و هوای گرم‌تر، راحت‌تر به دما پاسخ می‌دهند. با تغییر انعطاف پذیری COP1، تیم توانست میزان واکنش گیاهان به دما را تغییر دهد. این دانش می تواند برای سازگاری محصولات با آب و هوای گرمتر مفید باشد.

دکتر Philip A. Wigge (IGZ)، دانشمند برجسته این مطالعه، می‌گوید: "دما حرکت مولکولی است، اما این که چگونه پروتئین‌های موجود در سلول می‌توانند این اطلاعات را حس کرده و منتقل کنند، یک معما بوده است. تغییرات آب و هوا بر گیاهان در سراسر جهان تأثیر فزاینده‌ای دارد و در حال حاضر بر عملکرد محصول تأثیر می‌گذارد.

دکتر لورا اورلانا (موسسه کارولینسکا)، نویسنده ارشد و کارشناس زیست شناسی محاسباتی و بیوفیزیک پروتئین، می افزاید: "من معمولا مطالعه می کنم که چگونه جهش ها بر حرکات پروتئین و عملکرد آنها در سرطان تأثیر می گذارد، بنابراین برای پیوستن به این همکاری هیجان زده بودم. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی در ابررایانه ها، ما چگونه می توانیم دما را به عنوان یک بخش قابل انعطاف از C1xsease دور کنیم." به آن اجازه می دهد تا پروتئین های دیگر را متصل کرده و آنها را برای تخریب هدف قرار دهد.

این جالب است که همان اصول فیزیکی حاکم بر عملکرد پروتئین در سلول‌های ما می‌تواند توضیح دهد که گیاهان چگونه دما را حس می‌کنند و نشان می‌دهند که چگونه تحقیقات در یک زمینه می‌تواند به طور غیرمنتظره دیگری را روشن کند.

دکتر Arun Sampathkumar (MPI-MP)، یکی از نویسندگان و متخصص در زیست شناسی سلولی، بیان می کند: "سلول ماشینی جذاب است و با تکنیک های میکروسکوپی پیشرفته می توانیم مستقیما مشاهده کنیم که چگونه پروتئین COP1 می تواند شکل خود را در پاسخ به دمای گرم تغییر دهد، واقعا یک سوئیچ مولکولی!"

این یافته ها بینش جدیدی در مورد چگونگی پردازش اطلاعات دما توسط گیاهان ارائه می دهد. مکانیسم بررسی شده می تواند به عنوان نقطه شروعی برای اصلاح واکنش های دما در گیاهان زراعی باشد. با این حال، باید بررسی شود که آیا و چگونه می توان این را اعمال کرد.

Wei Zeng و همکاران، COP1 یک سوئیچ پاسخگو به دما در Arabidopsis، Cell (2026) است. DOI: 10.1016/j.cell.2026.10.036

ارائه شده توسط موسسه لایبنیتس برای محصولات سبزی و زینتی

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →