Växters förmåga att känna av ljus och temperatur, och deras förmåga att anpassa sig till klimatförändringar, beror på fribildande strukturer i deras celler vars funktion fram till nu var ett mysterium.
För första gången har UC Riverside-forskare fastställt hur dessa strukturer fungerar på molekylär nivå, samt var och hur de bildas. Denna information beskrivs i två nya Nature Communications papper.
Forskare har länge studerat membranbundna avdelningar, så kallade organeller, i växtceller, såsom Golgi-apparaten, mitokondrier, och framför allt kärnan, där DNA kopieras och transkriberas till RNA.
Men mycket mindre är känt om de membranfria organellerna som dynamiskt kan monteras och demonteras inuti kärnan, såsom fotokropparna som hjälper till att känna av ljus och temperatur i växter.
"En gång i tiden kallade folk dessa fotokroppar för "soptunnor", för att de inte förstod dem. När folk inte förstår något, kallar de det värdelöst. Men de är inte alls värdelösa", säger UCRs botanikprofessor Meng Meng Chen, senior författare av båda tidningarna. "De är en ny gräns inom vetenskapen."
En del av utmaningen med att studera fotokroppar, eller membranlösa organeller i allmänhet, är att molekyler rör sig in och ut ur dem hela tiden. Detta gör det svårt att särskilja funktionen hos komponenterna inuti organellerna och de utanför. Dessutom bildas dessa fotokroppar endast i ljuset.
Chen tillbringade två decennier med att arbeta med detta problem innan hans labb hittade en metod som hjälpte till att låsa upp mysteriet med organellernas funktion.
Tidigare tog han bort en gen i en laboratorieväxt och försökte observera eventuella förändringar i fotokropparna och växternas ljus- eller temperatursvar. Detta tillvägagångssätt gav delvis framgång.
Hans laboratorium identifierade en gen som gjorde det omöjligt för de membranlösa organellerna att samlas. Att slå ut denna gen gjorde växterna delvis blinda för ljus. "Vi såg att dessa organeller är involverade i ljusavkänning, men vi insåg att detta var ett samband, inte ett orsakssamband," sa Chen.
För att lära sig mer försökte forskarna att förbättra storleken på organellerna, snarare än att eliminera dem. Denna strategi, som beskrivs i en av de nya tidningarna, visade sig vara framgångsrik. Med större organeller gick det att se funktionen.
"Vad vi i slutändan såg är att de membranlösa organellerna hjälper växter att särskilja en hel rad olika ljusintensiteter. Utan dem skulle växter inte kunna "se" förändringar i ljusintensitet," sa Chen.
I en relaterad uppsättning experiment, som beskrivs i den andra Nature Communications papper, testade forskarna förhållandet mellan dessa organeller och temperatur. Tidigare hade gruppen visat att om temperaturen ökar så minskar antalet av dessa organeller.
Gruppen teoretiserade att temperaturkänslighet skulle vara en funktion av var i cellen organellerna bildades. Andra forskare föreslog att bildandet av organellerna är slumpmässigt, men Chen misstänkte att så inte var fallet.
"Det finns inte mycket i naturen som är helt slumpmässigt," sa Chen. "På flygplatsen, träffas folk mitt i ingenstans, eller är de vanligtvis i väntområdena och vid flygbolagens diskar? Allt som har en viktig funktion är vanligtvis inte slumpmässigt."
Bildandet av fotokroppar, visar det sig, är inte heller slumpmässigt. Mer än hälften av dem är nära centromerer, regionen av en kromosom som hyser tystade gener.
Vid 16 grader fanns det nio typer av membranlösa organeller i cellerna. Vid 27 grader sjönk antalet till endast fem typer. Även om alla innehåller det temperaturavkännande proteinet fytokrom B, är vissa av dessa organeller temperaturkänsliga och andra inte.
Framöver hoppas forskarna visa att det är möjligt att förändra växternas känslighet för ljus och temperatur genom att manipulera var organellerna bildas. Detta är särskilt viktigt om människor vill fortsätta odla matgrödor i en varmare, ljusare värld.
Kalifornien odlar hälften av landets frukter och grönsaker. Men forskare uppskattar att utan att minska utsläppen av växthusgaser kan medeltemperaturen i delstaten öka med 11 grader i slutet av århundradet, vilket allvarligt skulle påverka grödans tillväxt.
"För att förutsäga och mildra klimatförändringarna måste vi förstå hur växter känner och reagerar på sin miljö, särskilt temperatur," sa Chen. "Temperaturen är inte bara relaterad till tillväxt och storlek. Den är relaterad till allt:blomningstid, fruktutveckling, patogensvar och immunitet."
Mer information: Ruth Jean Ae Kim et al, bildandet av fotokroppar separerar rumsligt två motsatta fytokrom B-signaleringsåtgärder av PIF5-nedbrytning och stabilisering, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47790-8
Juan Du et al, Att särskilja individuella fotokroppar med Oligopaints avslöjar värmekänslig och -okänslig fytokrom B-kondensation vid distinkta subnukleära platser, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47789-1
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of California - Riverside
