Biljke su vrlo osjetljive na svjetlosne uvjete jer je svjetlost njihov izvor energije i također signal koji aktivira posebne fotoreceptore koji reguliraju rast, metabolizam i fiziološki razvoj.
Znanstvenici vjeruju da ti svjetlosni signali kontroliraju rast i razvoj biljaka aktiviranjem ili inhibiranjem biljnih hormona. Novo istraživanje biologa koji proučavaju biljke na Carnegie promijenilo je prevladavajuću teoriju o tome kako svjetlosni signali i hormoni djeluju. Njihovi rezultati mogli bi imati implikacije za proizvodnju hrane iz usjeva.
I ranije je bilo poznato da je biljni hormon zvan brasinosteroid esencijalan za odgovor biljke na svjetlosne signale. Taj presudni hormon steroidnog tipa se nalazi u cijelom biljnom carstvu i regulira mnoge procese rasta i razvoja. Iznenađujuće novo istraživanje od tima vođenog s biologom Zhi-Yong Wang na Carneige pokazuje da svjetlo ne kontrolira razinu brasinosteroida koji se nalazi u biljkama kao što se i očekivalo. Umjesto toga brasinosteroid je diktirao osjetljivost biljke na svjetlo. A to je radio kontrolirajući proizvodnju ključnih proteina koji reagiraju na svjetlo. Otkrića tima o interakcijama između brasinosteroida i svjetlosti u klijajućih sadnica promijenila su prevladavajući model za razumijevanje odnosa između uvjeta svjetla i hormonskih signala u regulaciji fotosinteze i rasta. Njihovi su rezultati objavljeni u Developmental Cell 14. prosinca.
Dok je ispod površine tla, u mraku, sadnice biljaka rastu na poseban način koji ubrzava proces koji potiče rast stabljike van na zrak, a istovremeno ga štiteći od oštećenja. Ovaj tip rasta se zove skotomorfogeneza. Jednom kada se izlože svjetlu, sadnice se prebace na drugačiji, više pravilniji, tip rasta, nazvan fotomorfogeneza, tijekom koje je produljenje stabljike inhibirano a lišće se proširuje i postaje zeleno. Mnoge su komponente uključene u ovoj razvojnoj promjeni, uključujući brasinosteroid. Prethodna istraživanja su pokazala da mutirane biljke stvorene da im nedostaje brasinosteroid, rastu kao da su na svjetlu, čak i kada su u mraku. Istraživanje također pokazuje da su mnogi geni odgovarali na stimulaciju od svjetlosti i brasinosteroida na suprotne načine. No, znanstvenici su bili nesigurni kako ovaj antagonistički proces funkcionira, pogotovo nakon što su pronašli razine brasinosteroida u biljnim stanicama koje nisu bile značajno drugačije od biljaka uzgajanih u mraku ili na svjetlu.
Novo istraživanje tima s Carnegie identificiralo je protein zvan GATA2 kao kariku koja je nedostajala u ovom komunikacijskom sustavu. Ovaj protein govori razvijajućim sadnicama kojim tipom rasta trebaju nastaviti. GATA2 je dio razreda GATA faktor proteina, koji se nalaze u biljkama, gljivama i mnogim životinjama. GATA faktori promiču izgradnju raznih novih proteina, čiji se recepti nalaze kodirani u DNA. A to rade uključujući i isključujući različite gene. U Arabidopsis, eksperimentalne biljke gorušice koja se koristila u ovom istraživanju, postoje 29 gena za različite članove obitelji GATA faktora. Za neke od njih je demonstrirano da imaju ulogu u razvoju cvijeta, metabolizmu ugljika i dušika, te proizvodnji zelenog pigmenta klorofila.
Wangov tim je otkrio da GATA2 aktivira mnoge gene koje svjetlo uključuje a brasinosteroid isključuje. Tada se pokazalo da brasinosteroid inhibira proizvodnju GATA2 i da svjetlo stabilizira prisutnost GATA2 proteina u biljnim stanicama. Prvo je tim pokazao da GATA2 funkcionira tako da uključi selektirane gene za rast biljke u prisustvu svjetla. Znanstvenici su genetski manipulirali biljkom Arabidopsis kako bi prouzrokovali prekomjernu proizvodnju GATA2 proteina. Kao rezultat toga, biljke su počele pokazivati obrasce rasta na svjetlu, čak i kada su bile u mraku. Ova manipulacija pokazuje da je GATA2 glavni promotor rasta na svjetlu.
Štoviše, to je ista reakcija koju su biljke pokazale kada su bile genetski izmanipulirane da im nedostaje brasinosteroid. To znači da prekomjerna brojnost GATA2 ima isti rezultat kao i nedostatak brasinosteroida. Ovi rezultati pokazuju da GATA2 protein i hormon brasinosteroid imaju antagonističke učinke na razvoj biljaka. Dalje, tim s Carnegie pokazao je da je brasinosteroid zapravo uključen u inhibiciju djelovanja GATA2. Brasinosteroid aktivira protein koji sprječava rad GATA2 kada su sadnice u mraku. Ta inhibicija GATA2 se zaustavlja izlaganjem svjetlu. To se vjerojatno događa zbog uključivanja još jednog proteina – jednog koji je široko uključen u signalizaciju svjetlom – iako je potrebno daljnje istraživanje kako bismo bili u to sigurni.
Svi ovi rezultati zajedno pokazuju da je GATA2 važan faktor u signalizaciji rasta svjetlosnog tipa. On također služi kao komunikacijska spojnica između unutrašnjih sustava biljke koje uključuje svjetlost i onih koje uključuje brasinosteroid. “Brasinosteroid i svjetlo antagonistički reguliraju razinu GATA2 aktivnosti, a time i stvaranje proteina stimuliranih s GATA2,” kaže Wang. “Kao rezultat toga, GATA2 predstavlja ključni spoj unakrsne komunikacije između brasinosteroida i svjetlosnih signalizacijskih puteva.”
Okosnica koja je stvorena ovim istraživanjem ostavlja dosta mogućnosti za daljnja proučavanja različitih komponenti svjetlosne signalizacije u biljaka. I neki drugi članovi GATA razreda proteina mogu biti uključeni, kao i druge komponente koje su osjetljive na svjetlo.
Izvor: Carnegie Institution
