Tillvägagångssättet avslöjade nya konserverade komponenter i en försvarsmekanism mot cytoskeletthämmare. a, LatB interfererar med aktinpolymerisation. b, Jordmikroorganismer använder (pilar) aktinhämmare (blå cirklar) för en konkurrensfördel i sin miljö. c, Chlamydomonas svarar på aktinhämning genom att bryta ned dess konventionella aktin, IDA5, och uppreglera ett alternativt aktin, NAP1. d, Tillväxt av nya lat-mutanter identifierade i denna studie (lat5-1, lat6-1 och lat7-2) jämfördes med tidigare isolerade lat1-5, lat2-1, lat3-1 och nap1-1 mutanter 66 i frånvaro (kontroll) och närvaro (LatB) av 3 µM LatB. e, Immunoblot av konventionella (IDA5) och alternativa (NAP1) aktiner visar att lat5-1, lat6-1 och lat7-2 har brist på aktinnedbrytning. Immunoblot representativ för n = 3 oberoende experiment. f, F-aktin-homeostasvägen bevaras mellan gröna alger och växter. Mutanter i Arabidopsis-gener homologa med Chlamydomonas lat3, lat5 och lat6 är känsliga för LatB, vilket framgår av minskad rotlängd. g, Kvantifiering av rotlängd i Arabidopsis-mutanter. Asterisker markerar signifikanta förändringar i förhållande till vildtyp under samma tillstånd baserat på tvåvägsanalys av varians. Det exakta värdet på P = 2,4 × 10 –47 (Ler mot lat3), P = 1,4 × 10 –6 2 (Col-0 kontra lat5), P = 6,8 × 10 –23 (Kol-0 mot lat6). n = 26 rötter undersöktes under tre oberoende experiment. Kredit:Nature Genetics (2022). DOI:10.1038/s41588-022-01052-9
Ett team ledd av nuvarande och tidigare Carnegie-växtbiologer har genomfört den största funktionella genomiska studien någonsin av en fotosyntetisk organism. Deras arbete, publicerat i Nature Genetics , skulle kunna informera om strategier för att förbättra jordbrukets avkastning och mildra klimatförändringar.
Fotosyntes är den biokemiska process genom vilken växter, alger och vissa bakterier kan omvandla solens energi till kemisk energi i form av kolhydrater.
"Det är grunden på vilken livet som vi känner det kan existera", säger Carnegies Arthur Grossman, en medförfattare på tidningen. "Det gör vår atmosfär syrerik samtidigt som den fångar upp en procentandel av de växthusgaser som orsakar klimatförändringar, mest CO2 , som spys ut i atmosfären av mänsklig aktivitet, och det är grundpelaren i vår matförsörjning."
Men trots dess grundläggande betydelse förblir många av generna som är associerade med fotosyntes okarakteriserade. Lyckligtvis utgör alger ett tillgängligt redskap för att klargöra den genetiska informationen som ligger till grund för denna viktiga process.
En katalog över mutanter av den encelliga fotosyntetiska grönalgen Chlamydomonas reinhardtii som initierades av Princeton Universitys Martin Jonikas under hans tjänstgöring som Carnegie-personal gjorde det möjligt för ett samarbetsteam av växtforskare att börja förstå funktionerna hos tusentals gener som finns närvarande i fotosyntetiska organismer.
Chlamydomonas representerar en grupp fotosyntetiska alger som finns runt om i världen i söt- och saltvatten, fuktig jord och till och med på snöytan. De växer lätt i labbet, även i mörker om de ges rätt näringsämnen. Detta gör Chlamydomonas till ett utmärkt forskningsverktyg för växtbiologer, särskilt för dem som är intresserade av fotosyntesapparatens genetik, såväl som många andra aspekter av växtbiokemi, såsom reaktioner på ljus och stress.
"Vi började med en samling av 58 000 Chlamydomonas-mutanter och exponerade dem för en mängd olika tillstånd och kemiska stressfaktorer," förklarade Jonikas. "Att kvantifiera en individuell mutants tillväxt gjorde det möjligt för oss att se vilka gener som bidrar till framgång i varje miljö och att börja koppla många av dessa gener till adaptiva egenskaper."
Den här studien representerade 78 % av Chlamydomonas-gener – nästan 14 000 – vilket ger ett ramverk för att prioritera vilka gener som är goda kandidater för vidare forskning och gör det möjligt för forskare att börja göra hypoteser om de möjliga funktionerna hos dåligt förstådda gener i fotosyntetiska organismer.
"Vi räknar med att vårt arbete kommer att styra den funktionella karakteriseringen av gener över livets träd," sa Grossman.
"Vi är mycket glada över att se hur resurser som genereras av Carnegies forskare gör det möjligt för forskarsamhället och utvecklar fältet i en så bred skala", tillade Zhiyong Wang, tillförordnad chef för Carnegies avdelning för växtbiologi.
Kunskapen från denna forskning kan underbygga strategier för att förbättra avkastningen av viktiga mat- och biobränslegrödor i en värmande värld, såväl som program för att fånga upp och lagra kolföroreningar från atmosfären.
