Wetenschappers ontdekken een voorheen onbekend plantmechanisme – en de impact ervan kan enorm zijn

Wetenschappers vinden die meiotische uitgang in Arabidopsis Gedreven door remming van translatie gemedieerd door P-lichaam

Albert Cairo, Karel Reha en hun collega’s ontdekten een voorheen ongeïdentificeerd mechanisme voor het herprogrammeren van genexpressie tijdens de overgang wanneer cel tot cel differentieert. Het mechanisme vindt plaats aan het einde van meiose, een gespecialiseerde celdeling die nodig is voor seksuele voortplanting, en zorgt ervoor dat geslachtscellen en stuifmeelkorrels kunnen differentiëren.

Dit mechanisme omvat de dynamische lokalisatie van essentiële regulerende componenten in intracellulair condensaat dat lijkt op vloeistofdruppels. Dit proces houdt rechtstreeks verband met de zaadproductie en kan nieuwe manieren bieden om duurzamere gewassen te produceren die bestand zijn tegen barre milieuomstandigheden. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Wetenschappen.

Veld rups bloem gevangen door lichtmicroscoop. Krediet: Centraal Europees Instituut voor Technologie – Masaryk University

Cellen zijn geen statische dingen. Ze veranderen van het ene type naar het andere. Activering van een bepaalde set genen beïnvloedt hoe cellen zich specialiseren in het voltooien van specifieke taken en wanneer ze zich delen of differentiëren. Celbiologen zoals Albert Cairo en Karel Reha gebruiken een reeks geavanceerde wetenschappelijke methoden om de exacte plantenwereld te verkennen. Celbiologie ondergaat momenteel een revolutie, waarbij het traditionele perspectief van celorganisatie naar nieuwe hoogten wordt uitgebreid.

“We weten nu dat de cel niet alleen conventionele, membraangedefinieerde organellen bevat, maar veel moleculaire processen zijn beperkt tot minder membraanspecifieke organellen, ook wel biomolecuulcondensatoren (biocondensatoren) genoemd. In de afgelopen 10 jaar is het belang van deze biocondensatoren begonnen om erkend te worden.” We dragen nu bij aan dit veld door te laten zien hoe een specifiek type biocondensatie zich vormt aan het einde van meiose en de eiwitsynthese remt”, legt Albert Cairo, eerste auteur van dit onderzoek, uit.

“Dit beëindigt aan de ene kant de processen van meiose, maar aan de andere kant markeert het het begin van een genetisch andere generatie cellen”, voegt Cairo eraan toe. maar dat is niet alles. Het onderzoeksteam is van mening dat vergelijkbare mechanismen ook aan het werk zijn in andere organismen en cellulaire omgevingen, waaronder celdifferentiatie of stressreacties.

De ontdekking door leden van het lab van Karel Riha kan een enorme maatschappelijke impact hebben.

Albert Caïro en Karel Riha. Krediet: Centraal Europees Instituut voor Technologie – Masaryk University

“We leven in een klimaatcrisis. Hoewel planten een breed scala aan belastingen kunnen weerstaan, waaronder hoge temperaturen en droogte, kunnen hun groei en voortplanting ernstig worden aangetast. Dit betekent dat we het gevaar lopen van een significante vermindering van de gewasopbrengst, alleen wanneer de opbrengst moet worden verhoogd om aan de menselijke behoeften te voldoen. Daarom moet plantenonderzoek nu prioriteit krijgen”, legt corresponderend auteur en onderzoeksgroepleider Karel Riha uit.

De primaire taak van het laboratorium is om licht te werpen op de biologische basisprocessen die nauw verband houden met de reproductie van planten en zaadvorming, die zich in veel gewassen vertalen in opbrengst.

De onderzoeksresultaten tonen aan dat biomoleculaire condensors een belangrijke rol spelen in de vruchtbaarheid van planten, en hun gedrag is waarschijnlijk gerelateerd aan omgevingsstress. Het is dus duidelijk dat onze ontdekking de eerste stap is in het ontwikkelen van nieuwe oplossingen die leiden tot duurzame gewasproductie onder extreme omstandigheden”, legt Albert Cairo uit.

De technische technieken die het team moest toepassen zijn echt indrukwekkend, en dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappen Wees gerust dat het Reha Laboratory op de goede weg is.

De weg naar ontdekking

Studie van meiose in een modelplant Arabidopsis thaliana Het is een bijzondere uitdaging. Het onderzoeksteam richtte zich op zeldzame en ongewone cellen die verborgen waren in kleine bloemknoppen van 0,1-0,4 mm. Bovendien treden de fasen van de meiotische deling waarop het onderzoek is gericht snel op – het hele proces duurt vijf tot zes uur. Daarom is het niet gemakkelijk om het te vangen. Het onderzoeksteam moet de nieuwste technologie en veel creativiteit en verbeeldingskracht gebruiken om dit proces te verkennen.

Riha’s team moest voorwaarden opstellen voor live-beeldvorming van meiose in het andere orgaan (het deel van de meeldraad dat het stuifmeel bevat). Het team gebruikte geavanceerde microscopie en werd een van de twee laboratoria ter wereld die de meiose van planten direct konden volgen. Een ander stuk kernexpertise dat het team opdeed, was het beheersen van de protoplasttechniek. Protoplasten zijn geïsoleerde plantencellen die hun omringende celwand hebben verloren, waardoor ze gemakkelijk genetisch te manipuleren en zichtbaar te maken onder een microscoop. Met deze techniek kon het team sommige problemen sneller en efficiënter oplossen dan met meiotische cellen.

Anna Vargova heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het begrip van het nieuw beschreven complexe mechanisme. Pavlina Mikulkova leverde expertise en leende haar magische hand tijdens live-celbeeldvorming van meiose met behulp van een Light-shit-microscoop. Het onderzoeksteam werd ondersteund door de CEITEC CELLIM Core Facility en de Plant Science Core Facility. Het onderzoek duurde meer dan acht jaar en werd gefinancierd door het REMAP Youth and Sports Scholarship Project van het Tsjechische Ministerie van Onderwijs. “Het zou heel moeilijk zijn om zo’n complex project te ontwikkelen zonder de financiering op lange termijn die we hadden. Op een gegeven moment had ik zelfs het gevoel dat onze grenzen slechts onze verbeelding waren, en ik denk dat dat cruciaal was voor onze lange termijn ontdekking”, zegt Albert Cairo.

Referentie: “Meiotische Exodus in” Arabidopsis Gedreven door P-lichaam-gemedieerde remming van translatie door Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova en Karel Riha, 4 augustus 2022, Wetenschappen.
DOI: 10.1126 / science.abo0904

Interessant is dat dit project geen externe samenwerking omvatte, wat ongebruikelijk is voor internationale onderzoeksinstituten zoals CEITEC. In dit geval sloeg het onderzoeksteam een ​​geheel nieuwe richting in en werd het onderzoek exclusief afgerond door leden van de onderzoeksgroep van Karel Riha.