U radu koji se pojavio u časopisu Science Advances, istraživači sa Državnog univerziteta u Mičigenu otkrili su iznenađujuću genetsku misteriju usredsređenu na šećere koji se nalaze u onome što baštovani znaju kao „katran od paradajza“.
Svako ko je goloruko obrezovao biljke paradajza verovatno je otkrio da su im prsti potamnjeli lepljivom, zlatno-crnom supstancom koja se neće sasvim isprati. Ovaj katran paradajza je lepljiv sa dobrim razlogom. Napravljen je od šećera – acil šećera, da budemo precizni – i deluje kao neka vrsta prirodnog papira za potencijalne štetočine.
„Biljke su evoluirale da prave toliko neverovatnih otrova i drugih biološki aktivnih jedinjenja“, rekao je istraživač iz Mičigenske države Robert Last, vođa nove studije.
Poslednja laboratorija je specijalizovana za acilšećere i sitne strukture nalik dlakama gde se proizvode i čuvaju, poznate kao trihomi. Nekada se smatralo da se nalazi isključivo u trihomima, drugi istraživači su nedavno prijavili da su pronašli acilšećere i u korenu paradajza. Ovo je bilo iznenađenje za zajednicu nauke o biljkama.
U svojoj studiji, tim na Državnom univerzitetu u Mičigenu želeo je da sazna kako ovi korenski acilšećeri funkcionišu i odakle su došli. Otkrili su da ne samo da biljke paradajza sintetišu hemijski jedinstvene acilšećere u svojim korenima i trihomima, već se ovi acilšećeri proizvode kroz dva paralelna metabolička puta.
Ovo je ekvivalent montažnim linijama u fabrici automobila koje prave dva različita modela istog automobila, ali nikada ne komuniciraju.
Ova otkrića pomažu naučnicima da bolje razumeju otpornost i evolucionu priču Solanaceae, ili velebilja, velike porodice biljaka koja uključuje paradajz, patlidžan, krompir, paprike, duvan i petunije. Oni bi takođe mogli da pomognu u informisanju istraživača koji žele da razviju molekule koje proizvode biljke u jedinjenja koja će pomoći čovečanstvu.
„Od farmaceutskih proizvoda, preko pesticida, do krema za sunčanje, mnogi mali molekuli koje su ljudi prilagodili za različite namene potiču iz trke u naoružanju između biljaka, mikroba i insekata“, rekao je Last.
Pored ključnih hemikalija neophodnih za rast, biljke takođe proizvode riznicu jedinjenja koja igraju ključnu ulogu u interakcijama sa životnom sredinom. Oni mogu privući korisne oprašivače i prva su linija odbrane od štetnih organizama.
„Ono što je toliko izvanredno u vezi sa ovim specijalizovanim metabolitima je to što se oni obično sintetišu u visoko preciznim ćelijama i tkivima“, rekla je Rejčel Kervin, postdoktorski istraživač na MSU i prvi autor najnovijeg rada.
„Uzmite na primer acilšećere. Nećete ih naći proizvedeni u listovima ili stabljikama biljke paradajza. Ovi fizički lepljivi odbrambeni metaboliti se prave u vrhu trihoma.“
Kada je objavljeno da se acilšećeri mogu naći i u korenu paradajza, Kervin je to shvatio kao poziv za staromodni genetski detektiv.
„Prisustvo ovih acil šećera u korenu je bilo fascinantno i dovelo je do toliko pitanja. Kako se to dogodilo, kako se prave i da li se razlikuju od trihoma acil šećera koje smo proučavali?“
Da bi počeli da se bave evolucionom enigmom, članovi laboratorije su sarađivali sa specijalistima u MSU-ovom jezgru za masovnu spektrometriju i metabolomiju, kao i sa osobljem u postrojenju za nuklearnu magnetnu rezonancu Maks T. Rodžers.
U poređenju metabolita iz korena i izdanaka paradajza, pojavile su se različite razlike. Osnovni hemijski sastav nadzemnih i podzemnih acilšećera bio je primetno različit, toliko da se mogu definisati kao različite klase acilšećera u potpunosti.
Na kraju, univerzitetski uvaženi profesor na Odeljenju za biohemiju i molekularnu biologiju Fakulteta prirodnih nauka MSU i Odeljenju za biologiju biljaka, nudi korisnu analogiju da objasni kako genetičar pristupa biologiji.
„Zamislite da pokušavate da shvatite kako automobil funkcioniše tako što lomi jednu po jednu komponentu“, rekao je on. „Ako spljoštite gume automobila i primetite da motor i dalje radi, otkrili ste kritičnu činjenicu čak i ako ne znate šta gume tačno rade.“ Zamenite delove automobila za gene i dobićete jasniju sliku posla koji je obavila poslednja laboratorija na daljem razbijanju koda na osnovnim acilšećerima.
Posmatrajući javne podatke o genetskoj sekvenci, Kervin je primetio da mnogi geni eksprimirani u proizvodnji paradajz trihoma acil šećera imaju bliske rođake u korenu. Nakon što su identifikovali enzim za koji se veruje da je prvi korak u biosintezi acil šećera iz korena, istraživači su počeli da „razbijaju automobil“.
Kada su izbacili gen kandidata za acil šećer iz korena, proizvodnja acil šećera u korenu je nestala, ostavljajući proizvodnju trihoma acil šećera netaknutom. U međuvremenu, kada je dobro proučen gen za acilšećer trihoma bio nokautiran, proizvodnja korenovog acilšećera se nastavila kao i obično.
Ovi nalazi su ponudili upečatljiv dokaz o sumnjivom metaboličkom ogledalu.
„Pored nadzemnog puta acilšećera koji smo proučavali godinama, ovde nalazimo ovaj drugi paralelni univerzum koji postoji pod zemljom“, rekao je Last.
„Ovo je potvrdilo da imamo dva puta koja koegzistiraju u istoj fabrici“, dodao je Kervin.
Da bi dovela do ovog otkrića, Jainee Hart, postdoktorski istraživač i drugi autor najnovijeg rada, detaljnije je pogledala funkcije trihoma i enzima korena. Baš kao što su enzimi trihoma i acilšećeri koje oni proizvode dobro proučeni hemijski spoj, ona je pronašla obećavajuću vezu između enzima korena i korenskih acil šećera.
„Proučavanje izolovanih enzima je moćno sredstvo za utvrđivanje njihove aktivnosti i izvlačenje zaključaka o njihovoj funkcionalnoj ulozi unutar biljne ćelije“, objasnio je Hart.
Ovi nalazi su bili dodatni dokaz paralelnih metaboličkih puteva koji postoje u jednoj biljci paradajza.
„Biljke i automobili su toliko različiti, ali slični po tome što kada otvorite poslovičnu haubu postajete svesni mnoštva delova i veza zbog kojih funkcionišu. Ovaj rad nam daje nova saznanja o jednom od tih delova u biljkama paradajza i podstiče dalje. istraživanje njegove evolucije i funkcije i da li možemo da ga iskoristimo na druge načine“, rekao je Pankaj Jaisval, programski direktor u Nacionalnoj naučnoj fondaciji SAD.
„Što više učimo o živim bićima — od paradajza i drugih useva, do životinja i mikroba — to su veće mogućnosti da to učenje iskoristimo za dobrobit društva“, dodao je on.
Rad takođe izveštava o fascinantnom i neočekivanom preokretu u vezi sa biosintetičkim genskim klasterima, ili BGC-ima. BGC su kolekcije gena koji su fizički grupisani na hromozomu i doprinose određenom metaboličkom putu.
Prethodno je Laboratorija Last identifikovala BGC koji sadrži gene povezane sa trihom acil šećerima u biljkama paradajza. Kervin, Hart i njihovi saradnici su sada otkrili da se enzim acilšećera izražen u korenu nalazi u istom klasteru.
„Obično u BGC-ima, geni se ko-eksprimiraju u istim tkivima i pod sličnim uslovima“, rekao je Kervin.
„Ali ovde imamo dve odvojene, ali međusobno povezane grupe gena. Neki su izraženi u trihomima, a neki u korenima.“
Ovo otkriće navelo je Kervina da zaroni u evolucionu putanju vrsta Solanaceae, u nadi da će identifikovati kada i kako su se razvila ova dva jedinstvena puta acilšećera.
Konkretno, istraživači su skrenuli pažnju na trenutak pre nekih 19 miliona godina kada je dupliciran enzim odgovoran za trihom acilšećere. Ovaj enzim bi jednog dana bio odgovoran za novootkriveni put acilšećera koji se izražava u korenu.
Tačan mehanizam koji je „uključio“ ovaj enzim u korenima ostaje nepoznat, otvarajući put za Poslednju laboratoriju da nastavi da raspakuje evolucione i metaboličke tajne porodice velebilja.
„Rad sa Solanaceae pruža toliko naučnih resursa, kao i snažnu zajednicu istraživača“, rekao je Kervin. „Preko svog značaja kao useva i u hortikulturi, ovo su biljke o kojima su ljudi brinuli hiljadama godina.“
Za kraj, ova otkrića su takođe podsetnik na važnost prirodnih pesticida, koje odbrambeni metaboliti kao što su acilšećeri na kraju predstavljaju.
„Ako otkrijemo da su ovi acilšećeri iz korena efikasni u odbijanju štetnih organizama, da li bi mogli da se uzgajaju u druge velebilje, čime bi pomogli biljkama da rastu bez potrebe za štetnim sintetičkim fungicidima i pesticidima?“
„Ovo su pitanja u srži ljudske potrage za čistijom vodom, bezbednijom hranom i smanjenim oslanjanjem na štetne sintetičke hemikalije.“
