I en artikel som visas i Science Advances , Michigan State University forskare har avslöjat ett överraskande genetiskt mysterium centrerat på sockerarter som finns i vad trädgårdsmästare känner till som "tomattjära."
Alla som har beskära tomatplantor barhand har sannolikt funnit att deras fingrar mörknat med en klibbig, guldsvart substans som inte riktigt tvättas bort. Denna tomattjära är klibbig av goda skäl. Den är gjord av sockerarter – acylsocker, för att vara exakt – och fungerar som ett slags naturligt flugpapper för potentiella skadedjur.
"Växter har utvecklats för att göra så många fantastiska gifter och andra biologiskt aktiva föreningar", säger Michigan State-forskaren Robert Last, ledare för den nya studien.
The Last lab specialiserar sig på acylsocker och de små hårliknande strukturerna där de produceras och lagras, så kallade trikomer. En gång trodde att de uteslutande fanns i trikomer, rapporterade andra forskare nyligen att de också hittade acylsocker i tomatrötter. Detta var en överraskning för det växtvetenskapliga samhället.
I sin studie ville teamet vid Michigan State University lära sig hur dessa rotacylsocker fungerade och precis var de kom ifrån. De fann att inte bara tomatplantor syntetiserar kemiskt unika acylsocker i sina rötter och trikomer, utan dessa acylsocker produceras genom två parallella metaboliska vägar.
Detta motsvarar löpande band i en bilfabrik som tillverkar två olika modeller av samma bil, men som aldrig interagerar.
Dessa upptäckter hjälper forskare att bättre förstå motståndskraften och den evolutionära historien om Solanaceae, eller nightshades, en vidsträckt familj av växter som inkluderar tomater, auberginer, potatis, paprika, tobak och petunior. De kan också hjälpa forskare som vill utveckla molekyler gjorda av växter till föreningar för att hjälpa mänskligheten.
"Från läkemedel, till bekämpningsmedel, till solskyddsmedel, många små molekyler som människor har anpassat för olika användningsområden kommer från kapprustningen mellan växter, mikrober och insekter," sa sist.
Förutom viktiga kemikalier som är nödvändiga för tillväxt, producerar växter också en skattkammare av föreningar som spelar en avgörande roll i miljöinteraktioner. Dessa kan locka till sig användbara pollinatörer och är den första försvarslinjen mot skadliga organismer.
"Det som är så anmärkningsvärt med dessa specialiserade metaboliter är att de vanligtvis syntetiseras i mycket exakta celler och vävnader", säger Rachel Kerwin, postdoktor vid MSU och första författare till den senaste artikeln.
"Ta till exempel acylsocker. Du kommer inte att hitta dem producerade i bladen eller stjälkarna på en tomatplanta. Dessa fysiskt klibbiga försvarsmetaboliter görs precis i toppen av trikomerna."
När det rapporterades att acylsocker också kunde hittas i tomatrötter tog Kerwin det som en uppmaning till gammaldags genetiskt detektivarbete.
"Närvaron av dessa acylsocker i rötterna var fascinerande och ledde till så många frågor. Hur hände detta, hur tillverkas de och skiljer de sig från de trichome acylsocker som vi har studerat?"
För att börja ta itu med den evolutionära gåtan, samarbetade labbmedlemmar med specialister vid MSU:s masspektrometri och metabolomics Core, samt personal vid Max T. Rogers kärnmagnetiska resonansanläggning.
Vid jämförelse av metaboliter från tomatplantors rötter och skott framkom en mängd skillnader. Den grundläggande kemiska sammansättningen av acylsocker ovan och under jord var märkbart olika, så mycket att de kunde definieras som olika klasser av acylsocker helt och hållet.
Till sist erbjuder en framstående professor vid MSU:s College of Natural Sciences institution för biokemi och molekylärbiologi och institutionen för växtbiologi en användbar analogi för att förklara hur en genetiker närmar sig biologi.
"Föreställ dig att försöka ta reda på hur en bil fungerar genom att gå sönder en komponent i taget", sa han. "Om du plattar en bils däck och märker att motorn fortfarande går, har du upptäckt ett kritiskt faktum även om du inte vet vad däcken exakt gör." Byt ut bildelar för gener, och du får en tydligare bild av det arbete som utförts av Last lab för att ytterligare knäcka koden på rotacylsocker.
När han tittade på offentliga genetiska sekvensdata, märkte Kerwin att många av generna som uttrycks i tomattrikomacylsockerproduktionen hade nära släktingar i rötter. Efter att ha identifierat ett enzym som tros vara det första steget i rotacylsockerbiosyntesen, började forskarna "bryta sönder bilen."
När de slog ut rotacylsockerkandidatgenen försvann produktionen av rotacylsocker, vilket lämnade trikomacylsockerproduktionen orörd. Samtidigt, när den väl studerade trikomacylsockergenen slogs ut, fortsatte produktionen av rotacylsocker som vanligt.
Dessa fynd erbjöd slående bevis på en misstänkt metabolisk spegling.
"Vid sidan av den ovanjordiska acylsockervägen som vi har studerat i flera år, hittar vi här detta andra parallella universum som finns under jorden," sa Last.
"Detta bekräftade att vi har två vägar samexisterande i samma växt," tillade Kerwin.
För att driva hem detta genombrott tittade Jaynee Hart, en postdoktor och andra författare på den senaste uppsatsen, närmare på funktionerna hos trikom och rotenzymer. Precis som trikomenzymer och acylsocker som de producerar är en väl studerad kemisk matchning, fann hon en lovande koppling mellan rotenzymer och rotacylsocker också.
"Att studera isolerade enzymer är ett kraftfullt verktyg för att fastställa deras aktivitet och dra slutsatser om deras funktionella roll inuti växtcellen," förklarade Hart.
Dessa fynd var ytterligare bevis på de parallella metaboliska vägarna som finns i en enda tomatplanta.
"Växter och bilar är så olika, men ändå lika genom att när du öppnar den ökända huven blir du medveten om mängden delar och kopplingar som får dem att fungera. Detta arbete ger oss ny kunskap om en av de delarna i tomatplantor och uppmanar oss ytterligare forskning om dess utveckling och funktion och om vi kan använda den på andra sätt", säger Pankaj Jaiswal, programchef vid U.S. National Science Foundation.
"Ju mer vi lär oss om levande varelser - från tomater och andra grödor, till djur och mikrober - desto bredare är möjligheterna att använda den lärdomen till nytta för samhället", tillade han.
Tidningen rapporterar också en fascinerande och oväntad vändning som rör biosyntetiska genkluster, eller BGC. BGC är samlingar av gener som är fysiskt grupperade på kromosomen och bidrar till en viss metabolisk väg.
Tidigare har det sista labbet identifierat en BGC som innehåller gener kopplade till trikomacylsocker i tomatplantor. Kerwin, Hart och deras medarbetare har nu upptäckt att det rotuttryckta acylsocker-enzymet finns i samma kluster.
"Vanligtvis i BGCs samuttrycks generna i samma vävnader och under liknande förhållanden", säger Kerwin.
"Men här har vi två separata men sammanlänkade grupper av gener. Vissa uttrycks i trikomer och andra uttrycks i rötter."
Denna uppenbarelse fick Kerwin att dyka in i Solanaceae-arternas evolutionära bana, med hopp om att identifiera när och hur dessa två unika acylsockervägar utvecklades.
Specifikt uppmärksammade forskarna ett ögonblick för cirka 19 miljoner år sedan när enzymet som ansvarar för trikomacylsocker duplicerades. Detta enzym skulle en dag vara ansvarigt för den nyupptäckta rotuttryckta acylsockervägen.
Den exakta mekanismen som "kopplade på" detta enzym i rötterna är fortfarande okänd, vilket banar väg för det sista labbet att fortsätta att packa upp nattskuggsfamiljens evolutionära och metaboliska hemligheter.
"Att arbeta med Solanaceae ger så många vetenskapliga resurser, såväl som en stark gemenskap av forskare", säger Kerwin. "Genom sin betydelse som grödor och i trädgårdsodling är det här växter som människor har brytt sig om i tusentals år."
Till sist är dessa genombrott också en påminnelse om vikten av naturliga bekämpningsmedel, som försvarsmetaboliter som acylsocker i slutändan representerar.
"Om vi upptäcker att dessa rotacylsocker är effektiva för att stöta bort skadliga organismer, skulle de kunna födas upp till andra nattskuggor och därigenom hjälpa växter att växa utan att behöva använda skadliga syntetiska fungicider och bekämpningsmedel?" Frågade senast.
"Det här är frågor som är kärnan i mänsklighetens strävan efter renare vatten, säkrare mat och ett minskat beroende av skadliga syntetiska kemikalier."
Mer information: Rachel Kerwin et al, specialiserade metaboliter för tomatrot utvecklats genom genduplicering och regulatorisk divergens inom ett biosyntetiskt genkluster, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Michigan State University
