研究人员修改酵母以显示植物如何对关键激素做出反应

激素是小信号分子,它们在细胞之间传播并传递信息以打开和关闭特定基因 - 影响行为,环境反应和生长。人体激素包括睾酮,胰岛素和恰当命名的生长激素。植物激素是一组完全不同的化学信使,它们调节茎生长,叶子和花的产生,根模式和应对环境破坏等活动。

这些只是植物生物学家试图精确理解的各种任务,因为压力增加是为了在不受控制的气候变化中养活不断增长的人口。但是植物中的激素影响了各种各样的基因和植物活动,激素反应的细节 - 充其量 - 是黑暗的。

华盛顿大学的研究人员开发了一种基于改良酵母细胞的新工具包,以梳理植物基因和蛋白质如何对生长素(一种普遍存在的植物激素)产生反应。他们的系统在9月19日出版的“美国国家科学院院刊”上发表的一篇论文中有所描述,它允许他们解释生长素对植物利用的各种基因家族的基本影响,以检测和解释生长素驱动的信息。

“在不同背景下,生长素有不同的信息,”资深作者和威斯康星大学生物学教授珍妮弗·内姆豪泽说。“一个细胞以一种方式响应生长素,而它的邻居则完全相反 - 来自同一化学物质的两种不同反应。这些细胞内部发生了什么来传递相反的信息?”

作为最普遍的植物激素,生长素几乎影响植物生物学的每个方面,包括生长,发育和应激反应。生物学家早就知道生长素作用于DNA片段,称为启动子,可以打开或关闭附近的基因。但生长素不会简单地打开或关闭所有附近的基因。使用生长素,一些基因开启,其他基因关闭,甚至更细致的反应也是可能的。植物蛋白通过与生长素结合然后与启动子结合来介导这些不同的反应。一些蛋白质会降低基因表达,而另一些则相反。

“蛋白质之间存在大量的交叉通讯,植物中含有大量基因,这些基因是生长素的目标,”Nemhauser说。“这使得解读植物细胞中的基本生长素'代码变得非常困难。”

因此,Nemhauser的团队从植物细胞转变为萌芽酵母 - 一种单细胞真菌和流行的实验室工具。研究人员设计酵母细胞来表达对生长素有反应的蛋白质,因此他们可以测量生长素如何改变它们也插入细胞的关键植物基因的开/关状态。从本质上讲,他们陪审团操纵酵母以响应生长素。对于Nemhauser来说,这是一种简单的转变方式,具有潜在的巨大回报。

“我们改变了这个问题的视角,”Nemhauser说。“通过从植物中提取生长素反应的问题并逐步重建 - 在酵母中,我们能够找到最重要的部分。”

Nemhauser的团队可以在修饰的酵母细胞中引入不同的生长素反应蛋白,每次测量它们在生长素存在下如何修饰基因表达。他们的实验揭示了生长素信号传导的基本“代码” - 抑制或激活蛋白质的特定组合如何与生长素,DNA和彼此结合以影响细胞行为。例如,他们的酵母实验表明,基因激活蛋白ARF19必须与相同的蛋白结合才能完全转换基因。另一方面,许多基因沉默蛋白不需要伙伴来关闭基因。

这些和其他简单的规则只在Nemhauser团队开发的酵母系统中清楚地显示出来。他们阐明了细胞内复杂的相互作用,产生了明确的生长素介导的信息。

“这些是细胞内因素的复杂组合,当通过这种相互作用解释时,产生复杂的输出信号 - 比如'这种植物应该投入能量来制造叶子还是根?'”Nemhauser说。“而这一切都始于生长素和生长素响应蛋白之间的复杂舞蹈。”

Nemhauser希望这种基于酵母的工具,她与UW电气工程教授Eric Klavins一起开发,将揭示生长素在植物细胞中的作用的更多细节。她希望知识能够使农民和植物遗传学家在面对干旱和气候变化时提高作物产量和恢复能力。

“这些工具可以做很多事情,因为生物系统比我们设计的任何工具都要复杂,”Nemhauser说。“通过这些激素信号传导途径的正确工具和知识,我们将确切地知道哪些变化 - 最小化和有针对性 - 将在作物中产生所需的特性。”