Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> Biologie

Onderzoekers ontdekken een parallel universum in de tomatengenetica

The Last Lab is gespecialiseerd in acylsuikers en de kleine, haarachtige structuren waarin ze worden geproduceerd en opgeslagen, bekend als trichomen. Waar ooit werd gedacht dat het uitsluitend in trichomen werd aangetroffen, meldden andere onderzoekers onlangs dat ze ook acylsuikers in tomatenwortels hadden aangetroffen. Dit was een verrassing voor de plantenwetenschappers.

In hun onderzoek wilde het team van de Michigan State University ontdekken hoe deze wortelacylsuikers functioneerden en waar ze precies vandaan kwamen. Ze ontdekten dat tomatenplanten niet alleen chemisch unieke acylsuikers synthetiseren in hun wortels en trichomen, maar dat deze acylsuikers worden geproduceerd via twee parallelle metabolische routes.

Dit is het equivalent van assemblagelijnen in een autofabriek die twee verschillende modellen van dezelfde auto maken, maar nooit interactie hebben.

Deze ontdekkingen helpen wetenschappers de veerkracht en het evolutionaire verhaal van Solanaceae, of nachtschades, een uitgestrekte plantenfamilie die tomaten, aubergines, aardappelen, paprika's, tabak en petunia's omvat, beter te begrijpen. Ze kunnen ook helpen bij het informeren van onderzoekers die moleculen van planten willen ontwikkelen tot verbindingen die de mensheid kunnen helpen.

"Van farmaceutische producten tot pesticiden en zonnebrandmiddelen:veel kleine moleculen die mensen voor verschillende doeleinden hebben aangepast, komen voort uit de wapenwedloop tussen planten, microben en insecten", zei Last.

Wortels en scheuten

Naast de belangrijkste chemicaliën die essentieel zijn voor de groei, produceren planten ook een schat aan verbindingen die een cruciale rol spelen bij interacties met het milieu. Deze kunnen nuttige bestuivers aantrekken en vormen de eerste verdedigingslinie tegen schadelijke organismen.

"Wat zo opmerkelijk is aan deze gespecialiseerde metabolieten is dat ze doorgaans worden gesynthetiseerd in zeer nauwkeurige cellen en weefsels", zegt Rachel Kerwin, een postdoctoraal onderzoeker bij MSU en eerste auteur van het nieuwste artikel.

"Neem bijvoorbeeld acylsuikers. Je zult ze niet aantreffen in de bladeren of stengels van een tomatenplant. Deze fysiek plakkerige verdedigingsmetabolieten worden precies in de punt van de trichomen gemaakt."

Toen werd gemeld dat acylsuikers ook in tomatenwortels voorkomen, vatte Kerwin dit op als een oproep tot ouderwets genetisch speurwerk.

"De aanwezigheid van deze acylsuikers in de wortels was fascinerend en leidde tot zoveel vragen. Hoe is dit gebeurd, hoe worden ze gemaakt en verschillen ze van de trichoomacylsuikers die we hebben bestudeerd?"

Om het evolutionaire enigma aan te pakken, werkten laboratoriumleden samen met specialisten van MSU's Mass Spectrometry and Metabolomics Core, en met personeel van de Max T. Rogers Nuclear Magnetic Resonance-faciliteit.

Bij het vergelijken van metabolieten uit de wortels en scheuten van tomatenzaailingen kwamen een aantal verschillen naar voren. De fundamentele chemische samenstelling van de bovengrondse en ondergrondse acylsuikers was merkbaar verschillend, zozeer zelfs dat ze volledig als verschillende klassen acylsuikers konden worden gedefinieerd.

De auto kapot maken

Ten slotte biedt een vooraanstaande universiteitsprofessor aan het Departement Biochemie en Moleculaire Biologie en het Departement Plantenbiologie van het MSU College of Natural Science een bruikbare analogie om uit te leggen hoe een geneticus de biologie benadert.

"Stel je voor dat je probeert uit te vinden hoe een auto werkt door één onderdeel tegelijk kapot te maken", zei hij. "Als je de banden van een auto lek maakt en merkt dat de motor nog steeds draait, heb je een cruciaal feit ontdekt, zelfs als je niet weet wat de banden precies doen." Schakel auto-onderdelen uit voor genen en je krijgt een duidelijker beeld van het werk dat het Last-lab heeft verricht om de code voor wortelacylsuikers verder te kraken.

Toen hij naar openbare genetische sequentiegegevens keek, merkte Kerwin op dat veel van de genen die tot expressie komen in de productie van tomatentrichomeacylsuiker nauwe verwanten in de wortels hadden. Na het identificeren van een enzym waarvan wordt aangenomen dat het de eerste stap is in de biosynthese van wortelacylsuiker, begonnen de onderzoekers "de auto kapot te maken".

Van links naar rechts:Jaynee Hart, Rachel Kerwin en Robert Last poseren voor analytische apparatuur bij de Mass Spectrometry and Metabolomics Core van de Michigan State University. Het team van onderzoekers ontrafelde een evolutionair en genetisch mysterie in tomatenplanten. Credit:Connor Yeck/MSU

Toen ze het kandidaatgen voor wortelacylsuiker uitschakelden, verdween de productie van wortelacylsuiker, waardoor de productie van trichoomacylsuiker onaangetast bleef. Ondertussen, toen het goed bestudeerde gen voor trichoomacylsuiker werd uitgeschakeld, ging de productie van wortelacylsuiker gewoon door.

Deze bevindingen boden treffend bewijs van een vermoedelijke metabolische spiegeling.

"Naast de bovengrondse acylsuikerroute die we al jaren bestuderen, vinden we hier dit tweede parallelle universum dat ondergronds bestaat", zei Last.

"Dit bevestigde dat er twee routes naast elkaar bestaan in dezelfde fabriek", voegde Kerwin eraan toe.

Om deze doorbraak te bewerkstelligen, heeft Jaynee Hart, een postdoctoraal onderzoeker en tweede auteur van het nieuwste artikel, de functies van trichomen en wortelenzymen nader onderzocht. Net zoals trichoom-enzymen en de acylsuikers die ze produceren een goed bestudeerde chemische match zijn, vond ze ook een veelbelovende link tussen wortelenzymen en de wortel-acylsuikers.

"Het bestuderen van geïsoleerde enzymen is een krachtig hulpmiddel om hun activiteit vast te stellen en conclusies te trekken over hun functionele rol binnen de plantencel", legt Hart uit.

Deze bevindingen waren een verder bewijs van de parallelle metabolische routes die bestaan in een enkele tomatenplant.

"Planten en auto's zijn zo verschillend, maar toch vergelijkbaar, omdat wanneer je de spreekwoordelijke kap opent, je je bewust wordt van de veelheid aan onderdelen en verbindingen waardoor ze functioneren. Dit werk geeft ons nieuwe kennis over een van die onderdelen in tomatenplanten en stimuleert verder onderzoek naar de evolutie en functie ervan en of we er op andere manieren gebruik van kunnen maken”, zegt Pankaj Jaiswal, programmadirecteur bij de Amerikaanse National Science Foundation.

"Hoe meer we leren over levende wezens – van tomaten en andere gewassen tot dieren en microben – hoe breder de mogelijkheden om dat leren in te zetten ten behoeve van de samenleving," voegde hij eraan toe.

Clusters binnen clusters

Het artikel rapporteert ook een fascinerende en onverwachte wending die te maken heeft met biosynthetische genclusters, of BGC's. BGC's zijn verzamelingen genen die fysiek gegroepeerd zijn op het chromosoom en bijdragen aan een bepaalde metabolische route.

Eerder identificeerde het Last-lab een BGC met genen die verband houden met trichoomacylsuikers in tomatenplanten. Kerwin, Hart en hun medewerkers hebben nu ontdekt dat het in de wortel tot expressie gebrachte acylsuiker-enzym zich in hetzelfde cluster bevindt.

"Gewoonlijk worden de genen in BGC's tot co-expressie gebracht in dezelfde weefsels en onder vergelijkbare omstandigheden", zegt Kerwin.

"Maar hier hebben we twee afzonderlijke, maar onderling verbonden groepen genen. Sommige komen tot uiting in trichomen, en sommige komen tot uiting in de wortels."

Deze onthulling bracht Kerwin ertoe om in het evolutionaire traject van Solanaceae-soorten te duiken, in de hoop te identificeren wanneer en hoe deze twee unieke acylsuikerroutes zich ontwikkelden.

Concreet vestigden de onderzoekers de aandacht op een moment zo'n 19 miljoen jaar geleden, toen het enzym dat verantwoordelijk was voor trichoomacylsuikers werd gedupliceerd. Dit enzym zou op een dag verantwoordelijk zijn voor de nieuw ontdekte acylsuikerroute die tot expressie wordt gebracht in de wortels.

Het exacte mechanisme dat dit enzym in de wortels ‘aanzette’ blijft onbekend, wat de weg vrijmaakt voor het Last Lab om de evolutionaire en metabolische geheimen van de nachtschadefamilie te blijven ontrafelen.

"Werken met Solanaceae levert zoveel wetenschappelijke bronnen op, evenals een sterke gemeenschap van onderzoekers", zegt Kerwin. "Door hun belang als gewas en in de tuinbouw zijn dit planten waar mensen al duizenden jaren om geven."

Voor Last herinneren deze doorbraken ook aan het belang van natuurlijke pesticiden, waarvoor verdedigingsmetabolieten zoals acylsuikers uiteindelijk verantwoordelijk zijn.

"Als we ontdekken dat deze wortelacylsuikers effectief zijn in het afweren van schadelijke organismen, kunnen ze dan in andere nachtschadesoorten worden gekweekt, waardoor planten kunnen groeien zonder de noodzaak van schadelijke synthetische fungiciden en pesticiden?" Laatst gevraagd.

"Dit zijn vragen die de kern vormen van het streven van de mensheid naar zuiverder water, veiliger voedsel en een verminderde afhankelijkheid van schadelijke synthetische chemicaliën."

Meer informatie: Rachel Kerwin et al., Gespecialiseerde metabolieten in tomatenwortel zijn geëvolueerd door genduplicatie en divergentie van de regelgeving binnen een biosynthetisch genencluster, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Michigan State University

The Last Lab is gespecialiseerd in acylsuikers en de kleine, haarachtige structuren waarin ze worden geproduceerd en opgeslagen, bekend als trichomen. Waar ooit werd gedacht dat het uitsluitend in trichomen werd aangetroffen, meldden andere onderzoekers onlangs dat ze ook acylsuikers in tomatenwortels hadden aangetroffen. Dit was een verrassing voor de plantenwetenschappers.

In hun onderzoek wilde het team van de Michigan State University ontdekken hoe deze wortelacylsuikers functioneerden en waar ze precies vandaan kwamen. Ze ontdekten dat tomatenplanten niet alleen chemisch unieke acylsuikers synthetiseren in hun wortels en trichomen, maar dat deze acylsuikers worden geproduceerd via twee parallelle metabolische routes.

Dit is het equivalent van assemblagelijnen in een autofabriek die twee verschillende modellen van dezelfde auto maken, maar nooit interactie hebben.

Deze ontdekkingen helpen wetenschappers de veerkracht en het evolutionaire verhaal van Solanaceae, of nachtschades, een uitgestrekte plantenfamilie die tomaten, aubergines, aardappelen, paprika's, tabak en petunia's omvat, beter te begrijpen. Ze kunnen ook helpen bij het informeren van onderzoekers die moleculen van planten willen ontwikkelen tot verbindingen die de mensheid kunnen helpen.

"Van farmaceutische producten tot pesticiden en zonnebrandmiddelen:veel kleine moleculen die mensen voor verschillende doeleinden hebben aangepast, komen voort uit de wapenwedloop tussen planten, microben en insecten", zei Last.

Wortels en scheuten

Naast de belangrijkste chemicaliën die essentieel zijn voor de groei, produceren planten ook een schat aan verbindingen die een cruciale rol spelen bij interacties met het milieu. Deze kunnen nuttige bestuivers aantrekken en vormen de eerste verdedigingslinie tegen schadelijke organismen.

"Wat zo opmerkelijk is aan deze gespecialiseerde metabolieten is dat ze doorgaans worden gesynthetiseerd in zeer nauwkeurige cellen en weefsels", zegt Rachel Kerwin, een postdoctoraal onderzoeker bij MSU en eerste auteur van het nieuwste artikel.

"Neem bijvoorbeeld acylsuikers. Je zult ze niet aantreffen in de bladeren of stengels van een tomatenplant. Deze fysiek plakkerige verdedigingsmetabolieten worden precies in de punt van de trichomen gemaakt."

Toen werd gemeld dat acylsuikers ook in tomatenwortels voorkomen, vatte Kerwin dit op als een oproep tot ouderwets genetisch speurwerk.

"De aanwezigheid van deze acylsuikers in de wortels was fascinerend en leidde tot zoveel vragen. Hoe is dit gebeurd, hoe worden ze gemaakt en verschillen ze van de trichoomacylsuikers die we hebben bestudeerd?"

Om het evolutionaire enigma aan te pakken, werkten laboratoriumleden samen met specialisten van MSU's Mass Spectrometry and Metabolomics Core, en met personeel van de Max T. Rogers Nuclear Magnetic Resonance-faciliteit.

Bij het vergelijken van metabolieten uit de wortels en scheuten van tomatenzaailingen kwamen een aantal verschillen naar voren. De fundamentele chemische samenstelling van de bovengrondse en ondergrondse acylsuikers was merkbaar verschillend, zozeer zelfs dat ze volledig als verschillende klassen acylsuikers konden worden gedefinieerd.

De auto kapot maken

Ten slotte biedt een vooraanstaande universiteitsprofessor aan het Departement Biochemie en Moleculaire Biologie en het Departement Plantenbiologie van het MSU College of Natural Science een bruikbare analogie om uit te leggen hoe een geneticus de biologie benadert.

"Stel je voor dat je probeert uit te vinden hoe een auto werkt door één onderdeel tegelijk kapot te maken", zei hij. "Als je de banden van een auto lek maakt en merkt dat de motor nog steeds draait, heb je een cruciaal feit ontdekt, zelfs als je niet weet wat de banden precies doen." Schakel auto-onderdelen uit voor genen en je krijgt een duidelijker beeld van het werk dat het Last-lab heeft verricht om de code voor wortelacylsuikers verder te kraken.

Toen hij naar openbare genetische sequentiegegevens keek, merkte Kerwin op dat veel van de genen die tot expressie komen in de productie van tomatentrichomeacylsuiker nauwe verwanten in de wortels hadden. Na het identificeren van een enzym waarvan wordt aangenomen dat het de eerste stap is in de biosynthese van wortelacylsuiker, begonnen de onderzoekers "de auto kapot te maken".

Van links naar rechts:Jaynee Hart, Rachel Kerwin en Robert Last poseren voor analytische apparatuur bij de Mass Spectrometry and Metabolomics Core van de Michigan State University. Het team van onderzoekers ontrafelde een evolutionair en genetisch mysterie in tomatenplanten. Credit:Connor Yeck/MSU

Toen ze het kandidaatgen voor wortelacylsuiker uitschakelden, verdween de productie van wortelacylsuiker, waardoor de productie van trichoomacylsuiker onaangetast bleef. Ondertussen, toen het goed bestudeerde gen voor trichoomacylsuiker werd uitgeschakeld, ging de productie van wortelacylsuiker gewoon door.

Deze bevindingen boden treffend bewijs van een vermoedelijke metabolische spiegeling.

"Naast de bovengrondse acylsuikerroute die we al jaren bestuderen, vinden we hier dit tweede parallelle universum dat ondergronds bestaat", zei Last.

"Dit bevestigde dat er twee routes naast elkaar bestaan in dezelfde fabriek", voegde Kerwin eraan toe.

Om deze doorbraak te bewerkstelligen, heeft Jaynee Hart, een postdoctoraal onderzoeker en tweede auteur van het nieuwste artikel, de functies van trichomen en wortelenzymen nader onderzocht. Net zoals trichoom-enzymen en de acylsuikers die ze produceren een goed bestudeerde chemische match zijn, vond ze ook een veelbelovende link tussen wortelenzymen en de wortel-acylsuikers.

"Het bestuderen van geïsoleerde enzymen is een krachtig hulpmiddel om hun activiteit vast te stellen en conclusies te trekken over hun functionele rol binnen de plantencel", legt Hart uit.

Deze bevindingen waren een verder bewijs van de parallelle metabolische routes die bestaan in een enkele tomatenplant.

"Planten en auto's zijn zo verschillend, maar toch vergelijkbaar, omdat wanneer je de spreekwoordelijke kap opent, je je bewust wordt van de veelheid aan onderdelen en verbindingen waardoor ze functioneren. Dit werk geeft ons nieuwe kennis over een van die onderdelen in tomatenplanten en stimuleert verder onderzoek naar de evolutie en functie ervan en of we er op andere manieren gebruik van kunnen maken”, zegt Pankaj Jaiswal, programmadirecteur bij de Amerikaanse National Science Foundation.

"Hoe meer we leren over levende wezens – van tomaten en andere gewassen tot dieren en microben – hoe breder de mogelijkheden om dat leren in te zetten ten behoeve van de samenleving," voegde hij eraan toe.

Clusters binnen clusters

Het artikel rapporteert ook een fascinerende en onverwachte wending die te maken heeft met biosynthetische genclusters, of BGC's. BGC's zijn verzamelingen genen die fysiek gegroepeerd zijn op het chromosoom en bijdragen aan een bepaalde metabolische route.

Eerder identificeerde het Last-lab een BGC met genen die verband houden met trichoomacylsuikers in tomatenplanten. Kerwin, Hart en hun medewerkers hebben nu ontdekt dat het in de wortel tot expressie gebrachte acylsuiker-enzym zich in hetzelfde cluster bevindt.

"Gewoonlijk worden de genen in BGC's tot co-expressie gebracht in dezelfde weefsels en onder vergelijkbare omstandigheden", zegt Kerwin.

"Maar hier hebben we twee afzonderlijke, maar onderling verbonden groepen genen. Sommige komen tot uiting in trichomen, en sommige komen tot uiting in de wortels."

Deze onthulling bracht Kerwin ertoe om in het evolutionaire traject van Solanaceae-soorten te duiken, in de hoop te identificeren wanneer en hoe deze twee unieke acylsuikerroutes zich ontwikkelden.

Concreet vestigden de onderzoekers de aandacht op een moment zo'n 19 miljoen jaar geleden, toen het enzym dat verantwoordelijk was voor trichoomacylsuikers werd gedupliceerd. Dit enzym zou op een dag verantwoordelijk zijn voor de nieuw ontdekte acylsuikerroute die tot expressie wordt gebracht in de wortels.

Het exacte mechanisme dat dit enzym in de wortels ‘aanzette’ blijft onbekend, wat de weg vrijmaakt voor het Last Lab om de evolutionaire en metabolische geheimen van de nachtschadefamilie te blijven ontrafelen.

"Werken met Solanaceae levert zoveel wetenschappelijke bronnen op, evenals een sterke gemeenschap van onderzoekers", zegt Kerwin. "Door hun belang als gewas en in de tuinbouw zijn dit planten waar mensen al duizenden jaren om geven."

Voor Last herinneren deze doorbraken ook aan het belang van natuurlijke pesticiden, waarvoor verdedigingsmetabolieten zoals acylsuikers uiteindelijk verantwoordelijk zijn.

"Als we ontdekken dat deze wortelacylsuikers effectief zijn in het afweren van schadelijke organismen, kunnen ze dan in andere nachtschadesoorten worden gekweekt, waardoor planten kunnen groeien zonder de noodzaak van schadelijke synthetische fungiciden en pesticiden?" Laatst gevraagd.

"Dit zijn vragen die de kern vormen van het streven van de mensheid naar zuiverder water, veiliger voedsel en een verminderde afhankelijkheid van schadelijke synthetische chemicaliën."

Meer informatie: Rachel Kerwin et al., Gespecialiseerde metabolieten in tomatenwortel zijn geëvolueerd door genduplicatie en divergentie van de regelgeving binnen een biosynthetisch genencluster, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Michigan State University

Onderzoeker ontdekt dat houtkikkers snel evolueerden als reactie op strooizout

Verborgen biosfeer ontdekt onder de droogste hete woestijn ter wereld

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com