خواندن برگها: رمزگشایی زبان سلولی مخفی گیاهان

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

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:

رشد یک گیاه بیشتر از اضافه کردن آب کافی و تامین نور کافی خورشید است.

هر برگ، ریشه و گل جدید به ارتباط بین سلول‌های بی‌شمار گیاه بستگی دارد - یک مکالمه سلولی پیچیده که درختان، علف‌ها و محصولات را قادر می‌سازد تا نزدیک به نیم میلیارد سال روی زمین زنده بمانند.

در 30 سال گذشته، محقق HHMI، Keiko Torii، به این انتقال‌های سلولی گوش داده و رمزگشایی کرده است. تحقیقات او ماشین‌های مولکولی را نشان داده است که ارتباطات سلولی را تقویت می‌کند و گیاهان را قادر می‌سازد تا با تغییرات محیطی خود سازگار شوند - از حفظ آب در خشکسالی تا مبارزه با عوامل بیماری‌زا مهاجم.

تحقیقات توری و تیم او در دانشگاه تگزاس در آستین نه تنها به دانشمندان کمک می کند تا محصولاتی را توسعه دهند که می توانند در شرایط تغییر مقاومت کنند، بلکه بینشی در مورد چگونگی انعطاف پذیری سلول های خودمان نیز ارائه می دهد. اگرچه گیاهان و حیوانات به طور مستقل تکامل یافته اند، اما هر دو برای زنده ماندن به سیستم های پیچیده ارتباطات سلولی متکی هستند.

توری می‌گوید: «این واقعا مهم نیست که یک فرد در حال مطالعه نوع خاصی از سرطان یا جوامع باکتریایی یا زیست‌شناسی گیاهی است، همه اینها به هم مرتبط هستند. "من فکر می کنم گیاهان می توانند نکات زیادی را به ما ارائه دهند که همه ما می توانیم از آنها بیاموزیم."

توری در اوایل کار خود بخشی از تیمی بود که ERECTA را کشف کرد، گیرنده ای که غشای سلولی گیاه را می پوشاند و به آن اجازه می دهد سیگنال های دریافتی از سلول های همسایه را دریافت کند.

این سیگنال‌های ارتباطی به سلول‌ها اجازه می‌دهند تا رشد و نمو گیاه را تنظیم کنند، از جمله ایجاد منافذ روزنه‌ای روی سطح برگ که از طریق آن گازها و بخار آب مبادله می‌شوند. ERECTA می تواند تعداد روزنه ها را بر اساس سیگنال هایی که در مورد رشد گیاه یا شرایط محیطی دریافت می کند، تنظیم کند.

محققان نشان داده‌اند که وقتی ERECTA فعال می‌شود، یک آبشار سیگنالی را در داخل سلول ایجاد می‌کند که در نهایت ژن‌ها را روشن یا خاموش می‌کند. این ژن‌ها شامل «تنظیم‌کننده‌های اصلی» تمایز روزنه‌ها - با نام‌های سرگرم‌کننده مانند SCREAM، SPEECHLESS و MUTE هستند که تیم Torii نیز آن‌ها را شناسایی کردند. اما اینکه این فرآیند دقیقا چگونه کار می‌کند – و اینکه چه اتفاقی برای گیرنده داخل سلول می‌افتد، وقتی فعال می‌شود – هنوز مشخص نشده است.

Torii و تیم او برای دریافت یک تصویر کامل، اخیرا پروتئین هایی را بررسی کردند که با گیرنده تعامل دارند و زمانی که گیرنده فعال می شود در نزدیکی آن قرار دارند. آنها پروتئین‌هایی را شناسایی کردند که ERECTA را به وزیکول‌های داخلی سلول و در نهایت به واکوئل‌های گیاه منتقل می‌کنند - بخش‌های ذخیره‌سازی که گیرنده را تخریب می‌کنند.

تحقیقات همراه نشان می دهد که چگونه گیرنده های ERECTA فعال شده برای بلع و تخریب مشخص می شوند.

توری می گوید: «کل این روال باید برای سیگنال دهی مناسب اجرا شود. "اگر این جریان مختل شود، آنها نمی توانند به درستی سیگنال دهند تا الگوهای روزنه ای مناسب را سازماندهی کنند."

توری و تیم او همچنین در حال بررسی تعامل بین رشد گیاه و سیگنال های ایمنی هستند.

گیاهان دارای گیرنده های ایمنی هستند که می توانند پاتوژن های مهاجم را شناسایی کرده و پاسخ ایمنی را ایجاد کنند که روزنه های گیاه را می بندد که باکتری ها از آن برای حمله به گیاه استفاده می کنند. جالب توجه است که این گیرنده ها و ERECTA تقریبا یکسان به نظر می رسند و مسیرهای مشابهی را ایجاد می کنند، حتی اگر عملکردهای متفاوتی داشته باشند.

مسیر پاسخ ایمنی همچنین می‌تواند مسیر رشد را تحت شرایط خاصی ربوده و در صورت تلاش پاتوژن‌ها برای تهاجم، تعداد روزنه‌ها را کاهش دهد.

"این یک معمای بزرگ است - چگونه سلول ها تشخیص می دهند که این یک سیگنال بیماری زا یا یک سیگنال رشدی است و پاسخ را بر این اساس تنظیم می کنند؟" توری می گوید.

توری و تیم او اخیرا شرایطی را کشف کرده اند که تحت آن آبشار سیگنالینگ ایمنی می تواند مسیر رشد را نادیده بگیرد و رشد روزنه را تنظیم کند. این تیم با استفاده از یک ماده شیمیایی جدید که با همکاران خود شناسایی کردند، مسیر پایین دست را مختل کردند و ماشین آلات مشترک هر دو سیگنال را شناسایی کردند.

کار از آزمایشگاه Torii نشان می دهد که عوامل بیماری زا ممکن است تعداد نقاط ورودی را افزایش دهند و به عفونت کمک کنند. در پاسخ، سیگنال‌های ایمنی گیاه به مسیر ERECTA جریان می‌یابد تا با آن مقابله کند و تعداد روزنه‌ها را کاهش دهد. این تیم اکنون در حال کار است تا دریابد که کارخانه دقیقا چگونه این دو سیگنال را از هم جدا می کند.

اگرچه توری با آرابیدوپسیس، یک گیاه مدل رایج که توسط زیست شناسان استفاده می شود، کار می کند، روزنه ها فقط یک بار در گیاهان خشکی تکامل یافته اند، بنابراین ژن ها، تنظیم کننده ها و مسیرهایی که توری و تیمش شناسایی می کنند برای همه گونه ها مهم هستند - از جمله محصولاتی که عرضه جهانی غذا را تشکیل می دهند. این تیم همچنین در حال بررسی این موضوع است که چگونه گیاهانی که در زیر آب زندگی می کنند و نیازی به روزنه ندارند، ژن های مورد نیاز برای رشد خود را از بین می برند.

درک چگونگی تکامل این مسیرها و اینکه چگونه محیط‌های مختلف مانند گرما، خشکسالی، عفونت بیماری‌زا و شرایط آب و هوایی آینده بر این مسیرها تأثیر می‌گذارند، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا گیاهانی را توسعه دهند که می‌توانند در شرایط تغییر مقاومت کنند، مانند محصولاتی که آب کمتری مصرف می‌کنند بدون اینکه عملکرد را به خطر بیندازند.

توری می‌گوید دیدن تأثیر بزرگ‌تر کارش خوشحال‌کننده است و بسیار فراتر از آن چیزی است که او می‌توانست تصور کند وقتی برای اولین بار تحقیقات خود را در 30 سال پیش در Arabidopsis شروع کرد.

توری می‌گوید: «به نظر می‌رسد تنظیم‌کننده‌ها و مسیرهای کلیدی که ما شناسایی کردیم برای همه گیاهان زمینی بسیار مهم هستند، و جالب است که ببینیم گیاهان زمینی چگونه این مسیر را تکامل داده‌اند و چگونه از آن استفاده می‌کنند.»

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →