Wyobraź sobie, że ludzie mogliby „rozmawiać” z roślinami i ostrzegać je o zbliżającym się ataku szkodników lub ekstremalnych warunkach pogodowych.
Zespół naukowców zajmujących się roślinami z Sainsbury Laboratory na Uniwersytecie Cambridge (SLCU) chciałby przekształcić tę fantastykę naukową w rzeczywistość, wykorzystując komunikaty świetlne do „rozmawiania” z roślinami.
Wczesne eksperymenty laboratoryjne z tytoniem (Nicotiana benthamiana) wykazały, że może on aktywować naturalny mechanizm obronny rośliny (odpowiedź immunologiczną), wykorzystując światło jako bodziec (posłaniec).
Światło pełni funkcję uniwersalnego środka codziennej komunikacji człowieka, np. sygnalizacji na światłach, przejściach dla pieszych, czy też sygnalizacji stanu otwartego-zamkniętego sklepu.
Zespół badawczy Alexandra Jonesa wykorzystuje światło jako posłaniec przy opracowywaniu narzędzi umożliwiających roślinom komunikację z ludźmi, a ludziom komunikację z roślinami.
Zespół z Uniwersytetu w Cambridge zaprojektował wcześniej serię bioczujników wykorzystujących światło fluorescencyjne do wizualnego komunikowania w czasie rzeczywistym tego, co dzieje się na poziomie komórkowym w roślinach, ujawniając dynamikę kluczowych hormonów roślinnych. Te bioczujniki mogą nam powiedzieć, jak rośliny reagują na stresy środowiskowe – rośliny „rozmawiają” z ludźmi.
Ich najnowsze badania opublikowane w PLOS Biology opisują nowe narzędzie o nazwie Zakreślacz, które wykorzystuje określone warunki świetlne do aktywacji ekspresji docelowego genu w roślinach, na przykład w celu uruchomienia ich mechanizmów obronnych – ludzi „rozmawiających” z roślinami.
Koncepcja mówiąca, że ludzie mogą komunikować się z roślinami na znaczącym poziomie, od dawna oddziałuje na ludzką wyobraźnię. Gdyby taka zdolność była możliwa, mogłaby zrewolucjonizować rolnictwo i nasz związek z roślinami.
„Gdybyśmy mogli ostrzec rośliny o zbliżającej się epidemii choroby lub ataku szkodników, rośliny mogłyby następnie aktywować swoje naturalne mechanizmy obronne, aby zapobiec powszechnym szkodom” – stwierdził dr Jones. „Moglibyśmy również informować rośliny o zbliżających się ekstremalnych zjawiskach pogodowych, takich jak fale upałów lub susza, umożliwiając im dostosowanie wzorców wzrostu lub oszczędzanie wody. Może to prowadzić do bardziej wydajnych i zrównoważonych praktyk rolniczych oraz zmniejszyć zapotrzebowanie na środki chemiczne”.
Bo Larsen, który w SLCU zaprojektował zakreślacz, przybliżył nas o ogromny krok do celu, jakim jest „rozmawianie” z roślinami, poprzez inżynierię kontrolowanego światłem systemu ekspresji genów (systemu optogenetycznego) z układu prokariotycznego do dostosowanego do potrzeb systemu eukariotycznego. dla roślin.
Optogenetyka może rzucić światło na procesy biomolekularne w roślinach
Aby zrozumieć aktywność komórkową, biolodzy muszą być w stanie kontrolować procesy biomolekularne na poziomie komórkowym. Optogenetyka to technika naukowa wykorzystująca bodziec świetlny do aktywacji lub dezaktywacji określonego procesu. „Bodźce świetlne są tanie, odwracalne, nietoksyczne i można je dostarczać w wysokiej rozdzielczości” – stwierdził dr Jones.
W tym celu naukowcy konstruują wrażliwe na światło białka (fotoreceptory), które kontrolują docelowy proces, a następnie dostarczają te optogenetyczne „aktywatory” do komórek, które chcą kontrolować.
Optogenetyka zrewolucjonizowała wiele dziedzin, w tym neuronaukę, w której biolodzy mogą izolować funkcje poszczególnych neuronów.
Jednakże optogenetyka była trudna do zastosowania w przypadku roślin. Dzieje się tak dlatego, że rośliny zawierają już wiele fotoreceptorów i do wzrostu potrzebują szerokiego spektrum światła. Przejście z ciemności na światło aktywuje również rodzime fotoreceptory roślinne i niezliczone systemy komórkowe.
Problem pogłębia fakt, że wiele najskuteczniejszych aktorów optogenetycznych wykorzystuje części genetyczne roślin, co oznacza, że mogłyby nawiązywać kontakt z natywnymi fotoreceptorami, gdyby były stosowane u roślin.
Historia badań
Doktor Jones, szukając optogenetycznego przełącznika ekspresji genów, który można by zastosować w normalnych ogrodniczych warunkach oświetleniowych bez wpływu na fizjologię i rozwój endogennych roślin, zwrócił się o poradę do J. Clarka Lagariasa z UC Davis, który jest ekspertem w dziedzinie światła fitochromowego i cyjanobakteriochromowego. przełączniki.
Zasugerował zmianę przeznaczenia prokariotycznego układu optogenetycznego CcaS-CcaR, który pierwotnie pochodził z drobnoustrojów fotosyntetycznych i wykorzystuje stosunek sygnałów świetlnych zielonego (włączonego) do czerwonego (wyłączonego). Modulując spektrum światła białego potrzebnego roślinom do wzrostu, geny można włączać i wyłączać za pomocą minimalnie inwazyjnego bodźca.
Jednak podczas opracowywania Zakreślacza w eukariotyczny system optogenetyczny dr Larsen wykrył nieoczekiwane zachowanie typu blue-off. Czy konwersja mogła zmienić zielono-czerwone właściwości widmowe fotoreceptora CcaS?
Współpracując z Alexem Jonesem, Ines Camacho i Richardem Clarke z National Physical Laboratory (NPL), odkryli, że nowy system nadal może wykorzystywać światło zielone i czerwone, tak jak oryginalny system. Jednak analiza spektroskopowa w NPL wykazała również dowody na niezależne wykrywanie światła niebieskiego. Współautor Roberto Hofmann zauważył, że oprócz domeny wykrywania czerwono-zielonego, CcaS posiada domenę homologiczną z fotosensorami światła niebieskiego, zwaną fototropinami. Wygląda na to, że wysiłki inżynierów przypadkowo odblokowały ukryte zachowanie CcaS polegające na wykrywaniu błękitu, zapewniając alternatywny sposób kontrolowania aktywności CcaS-CcaR.
Rozświetlacz jest narzędziem optogenetycznym dla roślin
Zakreślacz zastosowany w roślinach wykorzystuje minimalnie inwazyjne sygnały świetlne do aktywacji i dezaktywacji i nie ma na niego wpływu cykl światło-ciemność w komorach wzrostu.
Obecny system zakreślaczy jest nieaktywny w warunkach niebieskiego światła i aktywny w ciemności oraz przy świetle białym, zielonym i, w tajemniczy sposób, czerwonym świetle. Planowane są dalsze prace mające na celu postęp w opracowywaniu zakreślacza, ale zespół wykazał już optogenetyczną kontrolę nad odpornością roślin, produkcją pigmentu i żółtym białkiem fluorescencyjnym, przy czym to drugie ma rozdzielczość komórkową.
„Zakreślacz to ważny krok naprzód w rozwoju narzędzi optogenetycznych u roślin, a jego kontrola genów o wysokiej rozdzielczości może zostać zastosowana do badania szerokiego zakresu podstawowych zagadnień z zakresu biologii roślin” – dodał dr Jones. „Rosnący zestaw narzędzi dla roślin o różnorodnych właściwościach optycznych otwiera także ekscytujące możliwości ulepszenia upraw. Na przykład w przyszłości moglibyśmy użyć jednego warunku oświetlenia, aby wywołać odpowiedź immunologiczną, a następnie innego warunku oświetlenia, aby precyzyjnie określić czas trwania określonej cechy takie jak kwitnienie lub dojrzewanie.”