Nytt arbete som leds av Carnegies Zhiyong Wang reder ut en komplex cellulär signalprocess som underbygger växternas förmåga att balansera att spendera energi på tillväxt och försvara sig från patogener. Dessa fynd, publicerade i Nature Plants , visar hur växter använder komplexa cellulära kretsar för att bearbeta information och reagera på hot och miljöförhållanden.

"Växter har inte hjärnor som vi, och de kan vara fixerade på plats och oförmögna att fly från rovdjur eller patogener, men tyck inte synd om dem, eftersom de har utvecklat ett otroligt nätverk av informationsbehandlingskretsar som möjliggör dem att "fatta beslut" som svar på de situationer de befinner sig i", förklarade Wang.

På skämt, tillade han, "en växt kommer aldrig att sjunga 'If I Only Had a Brain', eftersom de har utvecklat detta under av lyhört beslutsfattande istället."

Högre växter sätter hundratals mycket specialiserade sensorer, kallade receptorkinaser, på sina cellytor för att övervaka miljön och för att kommunicera mellan celler. Wangs labb arbetar med att belysa de molekylära kretsarna som kopplar dessa sensorer till specifika cellulära svar, såsom tillväxt och immunitet. Att förbättra vår förståelse för hur växter fattar cellulära beslut kan underbygga tekniska ingrepp för att förbättra jordbruksavkastningen inför en värmande planet.

I detta aktuella arbete, publicerat i Nature Plants , upptäckte Wangs team att två av dessa sensorer använder ett system av olika molekylära taggar som involverar ett protein som delas mellan deras respektive kommunikationskretsar. Detta fynd kopplar samman tillväxt- och immunsvarsslingorna, vilket främjar vår förståelse för hur växter fattar sina viktigaste beslut.

När en växt känner av ett hot måste den aktivera kommunikationskedjor som larmar och säger åt den att bekämpa patogenen. Det finns två huvudtyper av hotdetektionsmekanismer i växtceller – förmågan att känna igen distinkta kemiska mönster som betecknar en inkräktare, såsom komponenter i en bakteriecell, och förmågan att känna igen en störning som orsakas av invaderande patogen.

Wang och hans forskningssamarbetspartners – inklusive Carnegies Chan Ho Park (huvudförfattaren), Yang Bi, Nicole Xu, Ruben Shrestha och Shouling Xu, tillsammans med Stanford Universitys Jung-gun Kim och Mary Beth Mudgett och kollegor vid Chung-Ang University, Hanyang University och UC San Francisco – spårade ett enzyms roll i biokemiska signalvägar för båda typerna av hotigenkänning.

Kallas BSU1, forskarna visade att den spelar nyckelroller, men distinkta, roller på två vägar – en som främjar tillväxt och den andra som höjer växtens hotlarmsystem.

En väg involverar en receptor för en medlem av klass av växthormoner som kallas brassinosteroider - som Wang har studerat mycket och är avgörande för växternas tillväxt och utveckling, fröns groning och fertilitet. Den andra vägen fungerar genom mönsterigenkännande receptorer som är specialiserade på att upptäcka den rörliga svansen hos en bakteriell inkräktare.

Båda dessa vägar involverar cellytsensorer som, när de aktiveras av externa signaler, kemiskt märker olika proteiner för att antingen slå på eller stänga av deras beteende, och skickar information längs en kedja av interaktioner.

Forskarna blev förvånade över att upptäcka att BSU1 engagerar sig i två helt separata interaktionskedjor. I brassinosteroidvägen är BSU1 involverad i hormonets tillväxt- och utvecklingsfunktioner. I mönsterigenkänningsvägen är BSU1 involverad i att aktivera immunitet vid hotdetektering. BSU1 översätter koderna från de olika sensorerna genom att använda olika segment av dess struktur för att acceptera den kemiska taggen, där varje plats representerar ett annat meddelande.

Sammantaget visar dessa resultat den sammankopplade komplexiteten av tillväxt och immunsvar. Dessutom är de en fantastisk uppenbarelse av hur växter tar in information, bearbetar den genom biokemiska kretsar som efterliknar ett binärt datorspråk och reagerar på miljöförhållanden för att förbättra sina chanser att överleva.

"Vårt arbete visar hur ett protein som BSU1 kan fungera som ett datorchip vid bearbetning av komplex information," avslutade Wang. "När vi förbereder oss för en värld där klimatförändringarna ökar stressen på viktiga mat- och biobränslegrödor, är det avgörande att vi förstår hur växter upptäcker och reagerar på yttre hot."