Onderzoekers van het Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG) hebben ontdekt dat de leden van een eiwitfamilie die met de interne klokken van planten wordt geassocieerd, sequentieel werken om de plantengroei tot het einde van de nacht te beperken. Dit zou onderzoekers kunnen helpen te begrijpen hoe planten omgaan met verschillende soorten stress die hun groei beïnvloeden, zoals droogte of hoge temperaturen.

De Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde is onlangs toegekend aan drie Amerikaanse onderzoekers, Hal, Rosbash en Young, voor hun "ontdekkingen van moleculaire mechanismen die het circadiane ritme beheersen." Dankzij hun onderzoek we weten dat fruitvliegen een interne klok hebben die is opgebouwd uit een reeks cellulaire eiwitten waarvan de hoeveelheid oscilleert in perioden van 24 uur. Deze trillingen, die autonoom worden onderhouden, uitleggen hoe levende organismen hun biologische ritme aanpassen zodat het synchroon loopt met de rotatie van de aarde.

Planten, zoals dieren, hebben ook een interne klok. In feite, de eerste hypothesen over het bestaan ​​van een circadiane klok in levende organismen kwamen met de waarneming van blad- en bloembewegingen in planten. Bijvoorbeeld, de bladeren van mimosa-planten sluiten 's nachts en gaan overdag open. in 1729, de Franse astronoom Jean Jacques d'Ortous de Mairan plaatste een mimosa-plant in het donker en merkte op dat, ondanks de afwezigheid van de lichtstimulus, de bladeren gingen nog steeds ritmisch open en dicht op het juiste moment van de dag.

Moleculair biologen van tegenwoordig weten dat de stengels van Arabidopsis thaliana net voor zonsopgang langer worden als de dagen kort zijn (winter). Studies van de afgelopen jaren hebben aangetoond dat deze verlenging van de stengel bij jonge zaailingen wordt gecontroleerd door PIF-eiwitten, waarvan de cellulaire accumulatie afhankelijk is van zonlicht. Dus, licht bevordert de afbraak van PIF-eiwitten gedurende de dag. 's Nachts, echter, PIF-eiwitten hopen zich op in de cel, en net voor zonsopgang, de groei van de stengel van de plant bevorderen. Maar waarom groeit de jonge stengel pas voor zonsopgang en niet de hele nacht?

Het antwoord op deze vraag kwam met een werk dat in 2016 werd gepubliceerd door de onderzoeksgroep van Elena Monte. Die studie ontdekte dat een intern klokeiwit (TOC1 of PRR1) 's nachts als poort fungeert, waardoor PIF alleen aan het einde van de nacht kan handelen. Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie door dezelfde CRAG-onderzoeksgroep, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Huidige biologie , breidt deze resultaten uit. Elena Monte, samen met haar team en medewerkers, hebben ontdekt dat andere componenten van dezelfde familie van interne klokeiwitten, de PRR, werken achtereenvolgens gedurende de dag en het grootste deel van de nacht om de werking van de PIF-eiwitten te onderdrukken.

De hoeveelheid van de verschillende PRR-eiwitten (PRR1, PRR5, PRR7 en PRR9) oscilleren opeenvolgend in perioden van 24 uur. Aan het einde van de nacht, de totale hoeveelheid PRR-eiwitten in de cel bereikt zijn minimum, waardoor de werking van PIF-eiwitten, die, door het ontbreken van licht, zijn op hun hoogtepunt van maximale concentratie. Dus, hoewel sommige PIF-eiwitten overdag worden gedetecteerd, ze kunnen tot het einde van de nacht de verlenging van de stengel niet bevorderen, als de poort opengaat, samenvallend met de optimale vochtigheidscondities voor de rek.

"Onze resultaten laten zien dat de regulatie van plantengroei in planten is geëvolueerd om de georkestreerde sequentiële actie van de PRR's te omvatten. Dit toont de dubbele rol van de PRR's aan:als regulatoren van de centrale klokcomponenten en als fysiologische repressoren van groei, ", legt Elena Monte uit. "Dankzij deze studie, we hebben geleerd hoe de circadiane klok van de plant de plantengroei beïnvloedt, wat een belangrijk proces is op agronomisch niveau, " voegt Guiomar Martín toe, de eerste auteur van het werk, die momenteel verbonden is aan het Gulbenkian Institute of Science (Portugal).

CDF5:een nieuw sleutelgen voor de stengelgroei

In het werk dat deze week is gepubliceerd in Huidige biologie , de auteurs hebben een uitgebreide analyse gemaakt van de interacties tussen de eiwitten en het DNA van de Arabidopsis thaliana-plant. Deze analyse onthulde dat het CDF5-gen net voor zonsopgang stamgroei induceert. Onderzoekers hebben aangetoond dat de expressie van het CDF5-gen strikt wordt gereguleerd door de vereniging van PIF-eiwitten (die de expressie ervan bevorderen) en door PRR-klokeiwitten (die de expressie ervan voorkomen). Op deze manier, CDF5 accumuleert specifiek tijdens de pre-dageraadfase, wanneer het de cellulaire verlenging induceert en, bijgevolg, de verlenging van de stengel.

Om de functie van deze genen en eiwitten te verifiëren, de onderzoekers observeerden de groei van arabidopsis-planten die mutaties in deze genen dragen. Planten die een van de genen van de PRR-familie (PRR7) hadden verloren, groeiden langer dan hun wild-type tegenhangers. Hetzelfde gebeurde in planten waarin de onderzoekers het CDF5-gen wijzigden zodat het gedurende 24 uur tot expressie kon worden gebracht, onafhankelijk van de PIF's en PRR's-acties.