Системин е добре познат растителен пептиден хормон, който играе решаваща роля в задействането на защитните реакции в растенията. Като доставчик на Systemin, бях свидетел на нарастващия интерес към разбирането на механизмите зад Systemin - предизвикани защитни реакции. В този блог ще разгледам ключовите механизми, които управляват тези отговори, подчертавайки значението на Systemin в растителната защита.
Systemin Discovery и обща функция
Systemin е открит за първи път в доматени растения. Това е малък пептид от 18 аминокиселини, който се освобождава в отговор на нараняване, обикновено причинено от атаки на тревопасни животни или механично увреждане. Веднъж освободен, Systemin действа като сигнална молекула, инициирайки каскада от събития, които водят до активиране на различни защитни механизми в растението.
Рецепторно свързване и иницииране на сигнала
Първата стъпка в предизвиканите от Systemin защитни реакции е свързването на Systemin към неговия специфичен рецептор върху мембраната на растителната клетка. Рецепторът за Systemin в доматените растения е идентифициран като киназа, подобна на богат на левцин повторен рецептор (LRR - RLK), наречен SR160. Когато Systemin се свърже със SR160, той активира киназната активност на рецептора. Това събитие на фосфорилиране предизвиква верижна реакция в клетката, подобно на начина, по който ключ стартира сложна машина.
След това активираният рецептор набира и фосфорилира сигнални молекули надолу по веригата. Тези молекули често участват в MAPK (митоген - активирана протеин киназа) каскада. MAPK каскадата е силно запазен сигнален път в растенията и животните. В контекста на сигнализирането на Systemin, активирането на MAPKs води до фосфорилиране на транскрипционни фактори. Тези транскрипционни фактори са протеини, които могат да се свързват със специфични ДНК последователности и да регулират експресията на гени.
Активиране на пътя на жасмоновата киселина
Един от най-важните ефекти надолу по веригата на сигнализирането на Systemin е активирането на пътя на жасмоновата киселина (JA). JA е добре известен растителен хормон, участващ в различни реакции на стрес, включително защита срещу тревопасни животни.
Когато Systemin активира MAPK каскадата, това в крайна сметка води до синтеза на JA. Синтезът на JA започва с освобождаването на линоленова киселина от клетъчната мембрана. След това линоленовата киселина се превръща в 12-оксо-фитодиенова киселина (OPDA) чрез серия от ензимни реакции. След това OPDA се транспортира в пероксизома, където допълнително се превръща в JA.
След като JA се синтезира, той се свързва със своя рецептор, COI1 (коронатин - нечувствителен 1). След това комплексът JA - COI1 се насочва към специфични репресорни протеини за разграждане. Тези репресорни протеини обикновено инхибират активността на транскрипционните фактори, участващи в експресията на гени, свързани със защитата. С разграждането на репресорите, транскрипционните фактори са свободни да се свързват с промоторните региони на свързаните със защитата гени и да инициират тяхната транскрипция.
Експресия на гени, свързани със защитата
Активирането на пътя на JA води до регулиране нагоре на голям брой гени, свързани със защитата. Тези гени кодират различни протеини с различни функции в защитата на растенията.
Някои от гените кодират протеазни инхибитори. Протеазните инхибитори са протеини, които могат да инхибират активността на протеазите в червата на тревопасните животни. Когато тревопасните се хранят с растения, експресиращи протеазни инхибитори, тяхното храносмилане се нарушава, тъй като протеазите са от съществено значение за разграждането на протеините в храната. Това намалява хранителната стойност на растението за тревопасното животно и в крайна сметка може да доведе до намален растеж и оцеляване на тревопасното животно.
Други гени, свързани със защитата, кодират протеини, участващи в синтеза на вторични метаболити. Вторичните метаболити като алкалоиди, феноли и терпеноиди имат различни функции в защитата на растенията. Например, някои алкалоиди могат да бъдат токсични за тревопасните, докато фенолните съединения могат да действат като антиоксиданти и да имат антимикробни свойства.
Системно сигнализиране
Една от забележителните характеристики на предизвиканите от Systemin защитни реакции е способността му да предизвиква системни реакции. Когато част от растението е повредена, Systemin не само активира защитните реакции в увредената тъкан, но и в други части на растението, които не са пряко засегнати.
Смята се, че системното сигнализиране включва движението на самия Systemin или други сигнални молекули през флоема. След като Systemin или неговите низходящи сигнали достигнат отдалечени части на растението, те инициират същата защита - сигнална каскада, както в увредената тъкан. Това позволява на растението да подготви цялото си тяло за потенциални тревопасни атаки, дори ако само малка част от растението е била първоначално повредена.
Сравнение с други пептидни сигнални системи
В света на растителните пептидни сигнали, Systemin не е единственият играч. Има и други пептиди, като напрAnnorphin A (1 - 9),Свързан с галанин пептид (44 - 59) амид, и6×Неговият пептид, които също играят важна роля в различни физиологични процеси.
Въпреки че тези пептиди имат различни функции и сигнални механизми в сравнение със Systemin, всички те споделят общата характеристика да бъдат малки, биоактивни молекули, които могат да предизвикат специфични реакции в растенията или други организми. Например динорфин А (1 - 9) е изследван в контекста на модулирането на болката при животни, но потенциалната му роля в растенията или други неживотински системи все още е област на изследване.
Последици за селското стопанство
Разбирането на механизмите на предизвиканите от Systemin защитни реакции има значителни последици за селското стопанство. Чрез подобряване на сигналния път на Systemin можем потенциално да подобрим естествените защитни способности на културите срещу тревопасни животни и вредители. Това може да намали зависимостта от химически пестициди, които имат отрицателно въздействие върху околната среда.
Например, техниките на генното инженерство могат да се използват за свръхекспресия на Systemin или неговия рецептор в културите. Това би довело до по-стабилно активиране на защитно-сигналната каскада и по-добра защита срещу атаки на тревопасни животни. Освен това знанието за сигнализирането на Systemin може да се използва при разработването на нови биопестициди, които имитират действието на Systemin или подобряват неговата активност.
Заключение
В заключение, предизвиканите от Systemin защитни реакции са сложен и силно регулиран процес. От първоначалното свързване на Systemin към неговия рецептор, през активирането на MAPK каскадата и JA пътя, до експресията на гени, свързани със защитата, и системно сигнализиране, всяка стъпка е от решаващо значение за способността на растението да се защитава срещу тревопасни животни.
Като доставчик на Systemin, аз съм развълнуван от потенциалните приложения на Systemin в селското стопанство и изследванията на растенията. Ако се интересувате да научите повече за Systemin или обмисляте закупуването на Systemin за вашите изследователски или селскостопански нужди, насърчавам ви да се свържете за дискусия за доставка. Разбирането на механизмите на предизвиканите от Systemin защитни реакции е не само очарователно от научна гледна точка, но също така носи голямо обещание за по-устойчив и екологичен подход към защитата на растенията.
Референции
- Pearce, G., Strydom, D., Johnson, S., & Ryan, CA (1991). Полипептид от доматени листа индуцира синтеза на протеиназен инхибитор, индуциран от рани. Наука, 253 (5024), 895 - 898.
- Райън, Калифорния и Пиърс, Г. (2003). Системин: полипептиден сигнал за защитните реакции на растенията. Годишен преглед на биологията на растенията, 54, 111 - 136.
- Wasternack, C., & Hause, B. (2013). Жасмонати: биосинтеза, възприятие, сигнална трансдукция и действие при отговор на стреса на растенията, растеж и развитие. Актуализация на прегледа от 2007 г. в Annals of Botany. Анали на ботаниката, 111 (1), 1021 - 1058.