Ny forskning från University of Oxford, publicerades nyligen i tidskriften eLife , kastar nytt ljus på växtkloroplaster, och proteinerna inuti dem. Regleringen av kloroplastproteiner är viktig för växtutveckling och stressacklimatisering och blir allt viktigare som växter – inklusive våra basgrödor, vete, ris, korn – måste svara på våra föränderliga miljöer.

"När planeten värms upp, det kommer att bli allt mer angeläget att förstå den molekylära grunden för växternas stresstolerans. Denna studie har avslöjat ytterligare ett lager av komplexitet i de system som växter använder för att kontrollera sina kloroplaster." Professor Paul Jarvis

Det har uppskattats att "stressade" grödor - från förändrade vädermönster, torka, översvämningar och extrema temperaturer – kan minska produktionen med så mycket som 70 %, som kommer att ha förödande inverkan på vår förmåga att mata världen.

Det har blivit allt mer angeläget att vi utvecklar förbättrade grödor – växter med ökat näringsvärde eller motståndskraft mot ogynnsamma miljöer – och nyckeln till denna utveckling kommer att vara vår förståelse för den molekylära grunden för växternas stresstolerans.

Alla gröna växter växer genom att omvandla ljusenergi till kemisk energi via en process som kallas fotosyntes. Fotosyntes sker i specialiserade fack av växtceller som kallas kloroplaster. Kloroplaster kräver tusentals olika proteiner för att fungera, och dessa importeras till kloroplasten via ett specialiserat maskineri som kallas TOC-komplexet. TOC-komplexet är, sig, gjord av proteiner.

Nyligen genomförda studier avslöjade att TOC-komplexet snabbt förstörs när växter utsätts för miljöstress - detta skyddar växtceller från skador genom att begränsa fotosyntesen, som kan generera giftiga biprodukter under ogynnsamma förhållanden. Denna process har fått namnet CHLORAD, för "kloroplast-associerad proteinnedbrytning".

I KLORAD, TOC-komplexet märks först med ett litet protein som kallas ubiquitin. Denna "ubiquitination" främjar förstörelsen av komplexet, och därmed undertrycker import av kloroplastprotein, fotosyntes, och produktion av giftiga biprodukter.

I den här studien, forskare frågade om TOC-komplexet också är SUMOylerat - SUMO är en annan liten tagg som liknar ubiquitin - och, om så är fallet, vilken funktion sådan TOC SUMOylering är. Forskarna fann att TOC-komplexet verkligen är SUMOylerat, och att TOC SUMOylering också utlöser förstörelsen av TOC-komplexet och är viktigt för växternas tillväxt och utveckling. Dessa resultat är spännande, eftersom de indikerar att SUMO-åtgärden är mycket lik den för CHLORAD, i detta sammanhang.

Faktiskt, den observerade likheten med CHLORAD antyder att SUMOylering reglerar aktiviteten hos CHLORAD-vägen. Detta är särskilt intressant, eftersom SUMOylering är känt för att induceras av olika former av miljöstress och är en viktig drivkraft för växtstressacklimatisering.

"Det var anmärkningsvärt när rollen för ubiquitination, och KLORAD, upptäcktes för några år sedan, och den här nya rollen för SUMO bidrar bara till intrigen." Professor Paul Jarvis

Att bygga vidare på dessa upptäckter, forskarna undersöker för närvarande hur CHLORAD-vägen kan manipuleras för att förbättra grödans prestanda. Bättre förståelse för regleringen av import av kloroplastprotein och/eller KLORAD-vägen, levereras som ett resultat av de nya rönen som rapporteras här, kommer att hjälpa till att styra dessa ansträngningar.