Kořeny rostlin odpovídají na různé podněty včetně gravitace. Klíčovými hráči v tomto procesu jsou rostlinný hormon auxin a bílkoviny, které ho přenášejí mezi buňkami.

Jednou z těchto bílkovin je PIN2 – a čeští a rakouští vědci nyní odhalili pozoruhodné detaily o její funkci.

Popsali zajímavý mechanismus, kterým rostlinné hormony zvané brasinosteroidy regulují aktivitu bílkoviny PIN2. Výzkum také vedl k nečekanému objevu, že dynamika fungování PIN2 je podstatně jiná, než se dosud předpokládalo.

Výsledky zveřejnil prestižní odborný časopis Nature Communications. Pomohou nám lépe pochopit, jak se kořenový systém přizpůsobuje podmínkám prostředí, aby zajistil správné zásobování rostliny vodou a minerály.

„Popsali jsme některé zajímavé detaily související s růstem kořenů. Tyto procesy se odehrávají na úrovni buněk, mají ovšem dalekosáhlé důsledky na úrovni celé rostliny. Naše výsledky naznačují, že protein PIN2 zodpovídá za přesné vyladění reakce kořene na signály z prostředí.“

„Takové vyladění umožňuje kořenům odpovídat pružně a zároveň přesněji – což zvyšuje šanci rostliny na přežití. V budoucnu chceme zkoumat, jak kořeny reagují na různé zemědělsky významné stresy a jak se jim přizpůsobují,“ říká Katarzyna Retzer, jedna z hlavních autorek článku v Nature Communications.

   

Jeden z moderních takzvaných konfokálních mikroskopů na pražském pracovišti našeho ústavu. Mikroskopy tohoto typu byly pro výzkum nepostradatelné.

   

Biologové už více než sto let studují, „jak kořeny vědí, kam růst“, tedy jak vnímají zemskou přitažlivost i jiné podněty a odpovídají na ně růstem ve vhodném směru. Nyní víme, že klíčovým faktorem je tok rostlinného hormonu auxinu pletivy kořene.

Převládající směr a intenzita toku se mění, když kořen reaguje na nějaký podnět. To způsobuje, že se kořen ohne a následně začne růst žádoucím směrem (v případě gravitace např. svisle dolů). Detaily celého procesu jsou nicméně složité a ještě ne zcela prozkoumané.

Zásadními hráči v transportu auxinu jsou bílkoviny zvané PIN, které tento hormon přenášejí z vnitřku buněk ven. Rakouský vědec Christian Luschnig v roce 1998 objevil, že pro odpověď kořene na gravitaci je důležitý jeden z těchto proteinů, PIN2.

Od té doby studuje molekulární pochody spojené s funkcí PIN2. Katarzyna Retzer u něj pracovala na své doktorské dizertaci a výzkum dokončila v Praze v Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR (ÚEB).

   

A: Mikroskopický snímek živého kořene, který se ohýbá v odpovědi na zemskou přitažlivost. Žlutozelená barva označuje místa s vysokou koncentrací PIN2. Foto Katarzyna Retzer. B: Snímek obdobného kořene reagujícího na gravitaci. Růžovofialové zbarvení označuje buněčná jádra v místech, na která nejsilněji působí hormony brasinosteroidy. Foto Christian Luschnig (BOKU, Rakousko).

   

Aktivitu PIN2 a dalších PIN proteinů ovlivňují různé rostlinné hormony včetně brasinosteroidů. Dosud však vědci nevěděli, jakým mechanismem brasinosteroidy regulují aktivitu PIN2.

Katarzyna Retzer, Christian Luschnig a jejich kolegové z ÚEB a dvou rakouských institucí nyní zjistili, že brasinosteroidy ovlivňují umístění PIN2 v buňkách.

Blokují jeho transport z plazmatické membrány na povrchu buňky do vnitrobuněčných struktur, kde je protein deaktivován a později může být i odbourán. Ve výsledku zůstává na povrchu více PIN2, což stimuluje tok auxinu mezi kořenovými buňkami.

   

Mikroskopické snímky kořenových pletiv. Barva znázorňuje koncentraci PIN2 v jednotlivých místech. A: U neošetřeného kořene je většina PIN2 umístěna v plazmatických membránách na povrchu buněk. Menší část se ovšem nachází ve vnitrobuněčných strukturách. B: U kořene, na který byl aplikován brasinosteroid, zůstává téměř všechen PIN2 v plazmatických membránách. Foto Kateřina Malínská.

   

„Byl to důležitý objev, ale některé naše pokusy dávaly matoucí výsledky. Abychom je vysvětlili, rozšířili jsme náš výzkum – a přišli jsme na něco zcela neočekávaného,“ říká doktorka Retzer.

Rostlinní biologové tradičně předpokládali, že kořeny potřebují PIN2 k nastartování své reakce na gravitaci. Nynější experimenty ovšem ukázaly, že PIN2 ve skutečnosti zpomaluje ohyb kořene v jeho pozdních fázích.

Tuto domněnku podpořil také matematický model auxinového transportu kořenem, který vyvinula Maria Akhmanova, další členka výzkumného týmu z Rakouska. Bílkovina PIN2 tedy chrání kořen před nadměrnou reakcí – větším ohybem, než jaký je v dané situaci přiměřený. Takové jemné vyladění může být velmi užitečné pro přežití rostliny.

Katarzyna Retzer nyní pracuje v pražském ÚEB a dále zkoumá růstové reakce kořenů, hlavně toky auxinu v různých světelných podmínkách.

„Během působení v naší laboratoři Kati navázala několik nových mezinárodních spoluprací, které nám velice pomáhají se zapojením do aktuálního výzkumu dynamiky proteinů na plazmatické membráně. Přinesla do týmu svoji biochemickou odbornost a elegantně ji kombinuje s využíváním pokročilých mikroskopů u nás v ústavu,“ říká doktor Jan Petrášek, spoluautor článku a vedoucí Laboratoře hormonálních regulací u rostlin v ÚEB.

   

Kořen simulovaný v počítači umožňuje předpovídat toky auxinu. Počítačový model distribuce auxinu v ohýbajícím se kořeni; tmavší zbavení znamená vyšší koncentraci tohoto hormonu. Autorka Maria Akhmanova (IST Austria, Rakousko).

   

Na výzkumu se podíleli vědci a vědkyně z University of Natural Resources and Life Sciences ve Vídni (BOKU), Institute of Science and Technology Austria v rakouském Klosterneuburgu (IST), Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR (ÚEB) v Praze a Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Vědecký tým vedl Christian Luschnig (BOKU).

Hlavními autorkami článku v Nature Communications jsou Katarzyna Retzer (BOKU, ÚEB) a Maria Akhmanova (IST).

   

* * *

   

Citace článku:

Retzer, K., Akhmanova, M., Konstantinova, N. et al. (2019): Brassinosteroid signaling delimits root gravitropism via sorting of the Arabidopsis PIN2 auxin transporter. Nature Communications 10, 5516. doi:10.1038/s41467-019-13543-1

Volně přístupné na https://www.nature.com/articles/s41467-019-13543-1

Text: Jan Kolář, Ústav experimentální botaniky AV ČR