Chloroplasty odhaleny jako klíčoví hráči v imunitě rostlin

05. 02. 2025 Doc. Dr. Ing. Jaroslav Salava, Národní centrum zemědělského a potravinářského výzkumu, v.v.i., Praha-Ruzyně Ochrana obecně Zobrazeno 581x

Nový výzkum vrhá světlo na struktury chloroplastů 100 let po jejich objevení. Vědci už dlouho vědí, že chloroplasty pomáhají rostlinám přeměnit sluneční energii na potravu, ale nová studie vedená rostlinnými biology z University of California v Davisu ukazuje, že jsou také nezbytné pro imunitu rostlin vůči virovým a bakteriálním patogenům.

Chloroplasty jsou obecně kulovité, ale malé procento z nich mění svůj tvar a vysílají různě dlouhé trubicovité výběžky zvané stromuly. Biologická funkce stromulů, které byly poprvé pozorovány před více než stoletím, zůstala nejasná. Předchozí studie ukázaly, že chloroplasty produkují více stromulů, když rostlina zjistí infekci. Stromuly pomáhají shlukovat chloroplasty kolem jádra a fungují jako kanály pro transport ochranných signálů z chloroplastů do jádra. Navzdory těmto zjištěním nebyli vědci schopni určit roli stromulů v imunitě, protože nebyly identifikovány žádné geny podílející se na vzniku stromulů.

V nové studii vědci identifikovali klíčový protein zapojený do biogeneze stromulů během imunity. Aby mohli vědci otestovat roli stromulů v imunitě, musí je vypnout a poté sledovat, jak se rostlinným buňkám bez stromulů daří, když čelí patogenu. Bez znalosti toho, které geny se podílejí na vzniku stromulů, však výzkumníci neměli žádný způsob, jak zjistit, které geny vypnout.

Aby překonali tuto překážku, obrátili se vědci na proteiny kinesiny, které fungují jako malé motory, jež umožňují molekulám a organelám pohybovat se po buňce. Tento intracelulární pohyb obvykle zahrnuje buněčný cytoskelet, který se skládá ze dvou různých typů vláken: velkých mikrotubulů a menších aktinových filamentů. Vědci chtěli prozkoumat typ kinesinu, který je jedinečný pro rostliny a je schopný vázat jak mikrotubuly, tak aktinová vlákna. Zjistili, že nadměrná exprese jednoho z těchto kinesinů, KIS1 (kinesin required for inducing stromules 1), vyvolala tvorbu stromulů v nepřítomnosti infekce patogenem. Když upravili rostliny tabáku (Nicotiana benthamiana) a huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) tak, aby nemohly produkovat kinesin KIS1, zjistili, že ani jedna rostlina nebyla schopna tvořit stromuly a jejich chloroplasty nemigrovaly směrem k jádru. Rostliny se tak nemohly bránit přítomným patogenům.

Za účelem oddělení rolí mikrotubulů a aktinu vědci zkonstruovali jednu sadu variant KIS1, které se mohly vázat pouze na mikrotubuly a další, které se mohly vázat pouze na aktin. Exprese těchto variant v tabáku ukázala, že KIS1 se potřebuje vázat na mikrotubuly, aby chloroplasty tvořily stromuly, ale aby se chloroplasty pohybovaly směrem k jádru, musí se také vázat na aktin.

Tým také chtěl vědět, jak stromuly zapadají do širšího obrazu rostlinné imunity. Použitím genetické manipulace k vypnutí různých imunitních signálů zjistil, že tvorba stromulů je spouštěna molekulární signalizací a že k tomu, aby se stromuly vytvořily, je zapotřebí neporušený imunitní signalizační systém. Pokud vědci odstranili kterýkoli ze známých imunitních signálních genů, chloroplasty ztratily schopnost vytvářet stromuly, což naznačuje, že tyto struktury jsou nedílnou součástí imunitních signálních drah, které aktivují obranu.

Tato studie je prvním důkazem rostlinného kinesinu přímo zapojeného do imunity rostlin. Je to také poprvé, co vědci identifikovali gen KIS1 zapojený do tvorby stromulů chloroplastů, který otevírá dveře k pochopení role chloroplastových stromulů a proč se chloroplasty shlukují kolem jádra během imunitní obrany rostliny.

Kinesin KS1 reguluje tvorbu chloroplastových stromulů

Rostlina tabáku a huseníčku

Struktura chloroplastu

Komunikace mezi chloroplastem a jádrem prostřednictvím stromul během imunitní reakce rostliny

Zdroj:
Meier N.D., Seward K., Caplan J.L., Dinesh-Kumar S.P. (2023): Calponin homology domain containing kinesin, KIS1, regulates chloroplast stromule formation and immunity. Science Advances; 9(43): eadi7407. doi: 10.1126/sciadv.adi7407.