Forskere oppdager en tidligere ukjent plantemekanisme – og dens innvirkning kan være enorm

Forskere finner at meiotisk utgang inn Arabidopsis er drevet av P-kroppsmediert hemming av translasjon

En tidligere uidentifisert mekanisme for omprogrammering av genuttrykk under overgangen når en celle differensierer til en annen har blitt avdekket av Albert Cairó, Karel Riha og deres kolleger. Mekanismen oppstår ved avslutningen av meiose, en spesialisert celledeling som kreves for seksuell reproduksjon, og lar kjønnsceller og pollen skille seg.

Denne mekanismen involverer dynamisk lokalisering av essensielle regulatoriske komponenter til intracellulære kondensater som ligner væskedråper. Denne prosessen er direkte knyttet til frøproduksjon og kan tilby nye veier for å generere mer bærekraftige avlinger som tåler tøffere miljøforhold. Funnene ble nylig publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Vitenskap.

Celler er ikke statiske ting; de endrer seg fra en type til en annen. Aktiveringen av en viss samling av gener påvirker hvordan celler spesialiserer seg på å fullføre spesifikke oppgaver og når de deler seg eller differensierer. Cellebiologer som Albert Cairó og Karel Riha bruker en kombinasjon av sofistikerte vitenskapelige metoder for å undersøke plantens mikroverden. Cellulær biologi gjennomgår for tiden en revolusjon, med det tradisjonelle perspektivet på celleorganisering som utvides til nye horisonter.

“Nå vet vi at cellen ikke bare inneholder tradisjonelle organeller avgrenset av en membran, men mange molekylære prosesser er begrenset inne i mindre definerte membranløse organeller, også kalt biomolekylære kondensater (biokondensater). I løpet av de siste ti årene har betydningen av disse biokondensatene begynt å bli anerkjent. Vi bidrar nå til dette feltet ved å vise hvordan en spesifikk type biokondensat dannes på slutten av meiose og hemmer proteinsyntesen, forklarer Albert Cairó, førsteforfatter av denne forskningen.

“Dette, på den ene siden, avslutter de meiotiske prosessene, men på den andre siden markerer det begynnelsen på en genetisk annerledes generasjon av celler,” legger Cairó til. Men dette er ikke alt. Forskerteamet mener at analoge mekanismer også virker i andre organismer og cellulære omgivelser, inkludert celledifferensiering eller stressresponser.

Oppdagelsen av Karel Riha-labmedlemmer kan ha en enorm samfunnsmessig innvirkning.

«Vi lever i en klimakrisetilstand. Selv om planter kan kjempe mot et stort utvalg av påkjenninger, inkludert høye temperaturer og tørke, kan deres utvikling og reproduksjon bli alvorlig svekket. Det betyr at vi står i fare for en dramatisk reduksjon i avling, akkurat når avlingen må økes for å tilfredsstille menneskelige behov. Og det er derfor planteforskning nå bør være en av prioriteringene, forklarer den korresponderende forfatteren og forskningsgruppelederen Karel Riha.

Laboratoriets primære oppgave er å belyse grunnleggende biologiske prosesser som er nært knyttet til plantereproduksjon og frødannelse, som i mange avlinger omsetter seg til utbytte.

“Forskningsfunnene viser at biomolekylære kondensater spiller en viktig rolle i planters fruktbarhet, og atferden deres er sannsynligvis knyttet til miljøstress. Det er derfor åpenbart at oppdagelsen vår er det første skrittet i å utvikle nye løsninger som resulterer i vedvarende avlingsproduksjon under tøffere forhold,” forklarer Albert Cairó.

De tekniske tilnærmingene teamet måtte utføre er virkelig beundringsverdige, og publiseringen av denne forskningen i Vitenskap er betryggende at Rihas lab går i riktig retning.

Veien til oppdagelsen

Studerer meiose i modellanlegget Arabidopsis thaliana er spesielt utfordrende. Forskerteamet fokuserte på ekstraordinære og sjeldne celler skjult i 0,1-0,4 mm små blomsterknopper. Dessuten skjer de meiotiske delingsstadiene som er studiens fokus raskt – hele prosessen tar fem til seks timer. Derfor er de ikke enkle å fange. Forskerteamet må bruke state-of-the-art teknologier og en betydelig del av kreativitet og fantasi for å undersøke denne prosessen.

Rihas team måtte etablere betingelser for levende avbildning av meiotisk deling inne i støvbæreren (den delen av støvbæreren som inneholder pollen). Teamet brukte avansert mikroskopi og ble en av de to laboratoriene i verden som var i stand til å observere plantemeiose live. En annen del av essensiell ekspertise laget tilegnet seg var mestring av protoplastteknologi. Protoplaster er isolerte planteceller som har blitt fratatt sin omkringliggende cellevegg, noe som gjør dem lette å genetisk manipulere og visualisere under mikroskop. Denne teknologien tillot teamet å belyse noen problemer raskere og mer effektivt enn å bruke meiotiske celler.

Anna Vargova bidro betydelig til å forstå den nylig beskrevne komplekse mekanismen. Pavlina Mikulkova ga ekspertise og ga sin magiske hånd under levende celleavbildning av meiose ved hjelp av Lightsheet-mikroskopet. Forskerteamet ble støttet av CEITECs kjerneanlegg CELLIM og av Plant Sciences Core Facility. Forskningen tok mer enn åtte år og ble finansiert av det tsjekkiske utdanningsdepartementets ungdoms- og idrettsstipendprosjekt REMAP. «Det ville vært ekstremt vanskelig å utvikle et så komplekst prosjekt uten den langsiktige finansieringen vi hadde. Faktisk, på et tidspunkt føltes det som om grensen vår bare var fantasien vår, og jeg tror at dette var avgjørende for vår vidtrekkende oppdagelse, sier Albert Cairó.

Referanse: “Meiotic exit in Arabidopsis drives av P-body-mediert inhibering av oversettelse» av Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova og Karel Riha, 4. august 2022, Vitenskap.
DOI: 10.1126/science.abo0904

Interessant nok innebar dette prosjektet ikke noe eksternt samarbeid, noe som er uvanlig for internasjonale forskningsinstitutter som CEITEC. I dette tilfellet gikk forskerteamet inn i en helt ny retning, og forskningen ble avsluttet utelukkende av medlemmene av Karel Rihas forskningsgruppe.