Японские ученые узнали, как растения производят активные формы кислорода
Общие механизмы производства наземными растениями активных форм кислорода (АФК), которые играют важную роль в регулировании роста, реакции на стресс, размножении и иммунитета растений, выявила группа ученых Токийского научного университета (TUS), 24 января сообщает пресс-служба вуза.
Активные формы кислорода (АФК) — это молекулы, содержащие кислород, но энергетически более активные, чем молекулярный кислород. Эти соединения являются нормальными побочными продуктами биологических процессов во всех живых организмах, таких как аэробное дыхание и фотосинтез, но при этом очень токсичны.
АФК повреждают клеточные механизмы и могут вызвать опасную реакцию на стресс, если их уровень не контролировать; вот почему так важны антиоксиданты в нашем рационе.
Однако в ходе нескольких исследований профессор Казуюки Кучицу и его коллеги из TUS показали, что растения имеют множество типов ферментов, производящих АФК в различных ситуациях, таких как борьба с грибковой или бактериальной инфекцией, во время роста, развития и размножения, в том числе при оплодотворении, а также при адаптации к внутреннему или внешнему стрессу.
В ряде этих исследований ученые изучали механизмы, с помощью которых растения регулируют активацию ферментов, генерирующих АФК, — NADPH-оксидаз (также известных как RBOH), которые играют решающую роль не только у растений и грибов, но и у животных, включая человека. Тем не менее многие аспекты биологического значения этого процесса еще требуют изучения.
Поскольку жесткая регуляция активность этих ферментов во всех организмах очень важна, то изучение эволюции регуляторных механизмов и функции RBOH является важной темой в различных областях исследований, включая медицинские, фармацевтические и микробиологию.
На данный момент для RBOH были выявлены два механизма активации генерирования АФК. Один из них предполагает связывание ионов кальция (Ca²⁺) в двух небольших структурах ферментов, называемых EF-руками.
Другой требует химической модификации — фосфорилирования определенных аминокислот, которая осуществляется протеинкиназами. Однако точная взаимосвязь между этими двумя механизмами и то, как они регулируют выработку АФК, оставалась неясной.
Исследовательская группа под руководством Кучицу решила восполнить этот пробел. Ранее они провели исследование, разъясняющее функции и регуляторные механизмы растительных RBOH.
В своей последней статье, опубликованной в журнале Physiologia Plantarum, команда раскрыла основные механизмы, посредством которых в RBOH активируется MpRBOHB, генерирующий АФК. Интересно, что эти механизмы, по-видимому, имеются в RBOH всех наземных растений.
В ходе экспериментов с моделью печеночника Marchantia polymorpha (Маршанция изменчивая) и генетически модифицированными клеточными линиями исследователи впервые показали, что активация MpRBOHB требует не только увеличения внутриклеточной концентрации Ca²⁺, но и связывания с ионами Ca²⁺ в двух областях EF-рук, охватывающих около 200 аминокислот.
В этих исследованиях экспериментаторы использовали фрагменты хитина, чтобы вызвать иммунный ответ в клетках, поскольку хитин является важным компонентом клеточных стенок микроорганизмов, таких как плесень и грибы.
«Наши результаты показывают, что связывание ионов кальция действует как молекулярный переключатель, который активирует MpRBOHB, и что фосфорилирование двух специфических остатков серина играет роль в облегчении этого связывания, — пояснил профессор Кучицу. — Мы считаем, что эти механизмы, управляемые консервативной регуляторной областью, представляют собой фундаментальные регуляторные процессы, регулирующие все RBOH наземных растений».
Понимание того, как растения регулируют ферменты, продуцирующие активные формы кислорода, может иметь огромные последствия для человечества, считают ученые.
Полученные данные могут привести к созданию инструментов для искусственного управления производством АФК в растениях, что можно использовать для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, повышения устойчивости растений к загрязнителям или инвазивным микроорганизмам и даже для использования растений в очистке окружающей среды.
Профессор Кучицу подчеркнул: «Мы надеемся, что эта работа будет способствовать решению широкого спектра социальных проблем, связанных с растениями, и послужит чрезвычайно важной основой для будущих исследований».
