Forskere har kastet nyt lys over udviklingen og funktionen af de former, vi ser i naturen - ved at bruge de hjerteformede frugter af Capsella-slægten som model.
Den naturlige verden er fuld af forskellige former fra organer til hele organismer, der er tilpasset af evolutionen til at præstere og reproducere optim alt i deres miljø.
Capsella frøkapsler med deres karakteristiske hjerteformede skuldre tilbyder en anatomisk nyhed og et fremragende studiesystem til at forstå mangfoldigheden af former.
Tidligere undersøgelser har vist, at ekspressionen af vigtige regulatoriske gener er en primær drivkraft i at kontrollere formudviklingen i organer. Denne nye undersøgelse udført af John Innes Center-forskere tilføjer endnu et kritisk trin i denne vej ved at afsløre en modifikation af proteinaktivitet, der er afgørende for dannelsen af organform.
De viser, at SUMO-proteasen HEARTBREAK (HTB) fra Capsella rubella styrer aktiviteten af nøgleregulatoren af frugtudvikling UDEHISCENT via en proces kaldet de-SUMOylation.
Kun via denne de-SUMOylering - en slags molekylær trimningsaktivitet - aktiveres en vej, som muliggør biosyntese af plantehormonet auxin, som igen letter anisotrop celleudvidelse til dannelse af den hjerteformede Capsella-frugt.
Professor Lars Østergaard, programleder ved John Innes Center og tilsvarende forfatter til avisen, forklarer betydningen: "Vi ved, at den mangfoldighed i form, vi ofte observerer i naturen, er forårsaget af ændringer i nøgleposition og timing. regulatoriske gener: det er sådan en stor variation opstår.
"Det, vi har fundet, er, at der er denne post-translationelle effekt, ud over genekspressionen. Denne proteinmodifikation er grundlaget for denne type mangfoldighed af frugtform - og er en lang vej til at forklare forskellen for eksempel mellem frugterne af Capsella og dem fra den beslægtede modelplante Arabidopsis. Dette handler om en ændring af proteinaktiviteten på et andet stadie, end vi har set før."
Forskere brugte fremadrettet genetisk screening - en teknik til at studere en række træk - som identificerede en mutant med kompromitteret udvikling af den hjerteformede frugt. Mutanten blev derfor navngivet, heartbreak. De brugte time-lapse 3D-billeddannelse og molekylær genetik til at karakterisere hjertesorgsfænotypen på cellulært og molekylært niveau.
Førsteforfatter Dr. Yang Dong tilføjede: "Vi har nu en hel pathway baseret på genekspression, hormondynamik og post-translationel modifikation af proteiner i så detaljer, at vi kan teste, i hvilken udstrækning disse slags pathways med disse komponenter er delt meget bredere på tværs af riger og ikke kun inden for planteriget."
Et af de næste skridt for forskerne er at oversætte denne grundlæggende opdagelse fra forskningsplanten Capsella til den relaterede kommercielle afgrøde af raps.
Undersøgelsen besvarer et nøglespørgsmål om, hvordan disse former fremstår.
Men hvorfor finder naturen på en så usædvanlig form som de hjerteformede kapsler fra Capsella? Hvad er funktionen bag denne formular? Årsagen kan stadig diskuteres, forklarer professor Østergaard.
"Tidligere troede vi, at disse former kunne være et godt funktionelt design til frøspredning, fordi formen kunne tillade vinden at fange frøbælgvæggene, men vores analyser, der sammenligner dem med Arabidopsis og raps afslører ikke nogen stor fordel af Capsella-frugten i frøspredning. Så vi tror ikke, det kan være en væsentlig faktor.
"Det er muligt, at de kan fungere som solpaneler. Med andre ord fungerer de måske til at fange sollys og øge fotosyntesekapaciteten. Vi ved, at frøbælgvæggenes fotosyntetiske kapacitet kan have en stærk effekt på frøudviklingen inde i bælgen og dermed på udbyttet. Så ved at forstå denne mekanisme giver det os værktøjer til måske at være i stand til at manipulere frøbælgvæggene i afgrøder som raps."
