Изменение климата увеличивает количество экстремальных погодных явлений. До сих пор основное внимание уделялось продолжительным периодам засухи и жары. Однако интенсивность осадков представляет собой еще одну угрозу, поскольку избыток воды вызывает заболачивание или, в крайнем случае, наводнение, что приводит к кислородному стрессу у растений.

Исследовательская группа под руководством Института Лейбница IPK и Университета Билефельда сообщает об открытии нового сигнального пути низкого содержания кислорода в модельном растении Arabidopsis thaliana. Молекулярный путь связывает сигнал митохондриального стресса при низком содержании кислорода с инициацией транскрипционного адаптационного ответа. Результаты исследования опубликованы в журнале "Труды Национальной академии наук".

Аэробные реакции необходимы для поддержания роста и развития растений. Снижение доступности кислорода из-за избытка воды, например, во время заболачивания или наводнения, снижает продуктивность и выживаемость растений. Следовательно, растения контролируют доступность кислорода, чтобы соответствующим образом регулировать рост и метаболизм.

Несмотря на выявление в последние годы центральных компонентов адаптации к гипоксии, молекулярные пути, вовлеченные в самую раннюю активацию реакции на низкий уровень кислорода, недостаточно изучены, а длительные периоды стресса пагубно влияют на урожайность и выживание растений.

Клетка содержит несколько органелл, включая эндоплазматический ретикулум (ER), который представляет собой большую динамическую трубчатую структуру, окружающую клеточное ядро и участвующую в синтезе белка и метаболизме липидов. Исследователи охарактеризовали три транскрипционных фактора ANAC арабидопсиса, а именно ANAC013, ANAC016 и ANAC017, которые связываются с промоторами подмножества генов ядра гипоксии (HCG) и активируют их экспрессию. При гипоксии ядерный ANAC013 связывается с промоторами нескольких HCG.

Было обнаружено, что спящий транскрипционный фактор (ANAC013), связанный с мембраной ER, высвобождается при стрессе с низким содержанием кислорода путем протеолитического расщепления его якорного домена. Затем активированный белок ANAC013 перемещается в ядро и запускает транскрипционное перепрограммирование, вызывая адаптивные реакции.

"Мы определили не только транскрипционный фактор, ответственный за это первоначальное перепрограммирование, но и протеазу, то есть фермент, способный разрезать белки, который высвобождает ANAC013 из мембраны ER", - говорит доктор Йозефус Шипперс, руководитель исследовательской группы IPK по развитию семян. Эта протеаза относится к классу так называемых ромбоидных протеаз, которые присутствуют почти у всех видов животных и регулируют клеточные процессы.

Однако о субстратах для этих протеаз у растений ранее не сообщалось, что указывает на новизну раскрытого в нашей работе механизма.

Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать, что расщепление ANAC013 ромбоидной протеазой зависит от митохондриального сигнала.

"Мы ожидаем, что изучение молекулярной природы восходящего сигнала будет представлять огромный интерес для понимания органеллярной коммуникации. Более того, поскольку недавно идентифицированный модуль, состоящий из фактора ANAC013 и его процессинговой протеазы, высоко консервативен у растений, мы предполагаем, что полученные результаты могут быть перенесены на сельскохозяйственные культуры для улучшения их устойчивости к заболачиванию", - говорит профессор д-р Роми Шмидт-Шипперс из Университета Билефельда.