调节植物激素水平的生物化学系统

植物快速响应系统的关键部分揭示

几个相关的蛋白质的图像在同步加速器在美国和法国允许科学家在圣路易斯华盛顿大学和欧洲分子生物学实验室在格勒诺布尔,法国,解决关键的结构允许植物的生化机械控制循环激素的浓度。yabo124在这里,美国国立科学技术大学研究生科里·韦斯特福尔将一个蛋白质晶体巧妙地放置在先进光子源的舞台上。先进光子源是芝加哥附近阿贡国家实验室的一个同步加速器,可以产生一束明亮的x射线。一旦水晶就位,Westfall就会离开,实验站上的沉重的铅门就会关闭,而横梁就会从储存环转向舞台。Westfall在看到蛋白质生成的图像之前不会知道这种晶体是好是坏。

一个国际科学家团队已经开始在调节植物激素水平以保护植物免受攻击或生长条件变化的生物化学系统上添加分子。

自查尔斯·达尔文(Charles Darwin)用植物的芽做实验以来,科学界就已经知道了植物激素的存在。达尔文实验表明,只要芽的尖端(分泌一种生长激素)不被切断,芽就会向光弯曲。

但直到最近,科学家才开始从分子层面研究调节植物激素水平的生物化学系统,以保护植物免受食草动物或病原体的攻击,或使其适应温度、降水或土壤养分的变化。

现在,圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)和法国格勒诺布尔(Grenoble)的欧洲同步辐射设施(European Synchrotron Radiation Facility)和欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory)的科学yabo124家们展开了一项跨大西洋合作,揭示了一种开关的工作原理,这种开关可以激活植物激素,将它们标记为储存或销毁。

这项研究发表在The5月24日问题科学表达并将在即将发表的科学问题上发表。

“酶是细胞的停止/启动开关,打开和关闭激素反应,”Joseph Jez博士说,他是wstl的艺术与科学生物学副教授,也是这篇论文的资深作者。yabo124

这项研究不仅与除草剂的设计有关——其中一些是人工合成的植物激素——还与转基因植物有关,以适应不受控制的气候变化导致的更极端的生长条件。

在植物中,激素信号替代物用于免疫系统

在植物中,激素信号替代了免疫系统。上图中,植物表现出一种“过敏反应”,其特征是细胞故意死亡,以拒绝病原体的食物和水。这种过敏反应是由植物激素水杨酸引发的。

什么植物荷尔蒙所做的

植物看起来很没有防御能力。毕竟,当它们枯萎的时候,它们不能躲避除草机,也不能躲到树荫下,而且它们没有牙齿、爪子、神经系统、免疫系统或其他大多数动物底盘标准的保护设备。

但它们确实会产生荷尔蒙。或者更准确地说——因为激素通常被定义为由腺体分泌的化学物质,而植物没有腺体——它们产生的化学物质浓度极低时,会极大地改变它们的发育、生长或新陈代谢。“荷尔蒙”这个词在希腊语中是“动力”的意思,它们搅动植物。

在动物中的植物中,激素控制生长和发育。例如,植物素,一组植物激素,触发细胞分裂,茎伸长和分化为根,芽和叶子。除草剂2,4-D是一种合成毒素,通过强迫它们生长到疲惫的点,杀死阔叶植物,例如蒲公英或猪皮。

当被问及他最喜欢的植物激素例子时,科里·s·韦斯特福尔(Corey S. Westfall)提出了它的化学防御系统。韦斯特法尔是Jez实验室的一名研究生,他和克洛伊·祖比塔博士一起做了这项研究的大部分工作,克洛伊·祖比塔博士是欧洲同步辐射设备的科学家。

在Wustl附近的St. Louis的公共公园散步,韦斯特流口经常看到橡树叶,棕色斑点。斑点是细胞,使细胞故意犯下细胞,以拒绝水和营养成降落在斑点中心的病原体。这种形式的自我灭菌是由植物激素水杨酸触发的

Westfall也提到了茉莉酸盐,这使植物分泌诸如令人厌恶的单宁等化合物。单宁对昆虫有毒,因为它们与唾液蛋白质结合并使它们失活。因此,摄取大量单宁的昆虫未能增加体重,最终可能会死亡。

多一点,少一点

换句话说,激素使植物能够对发育线索和环境压力做出迅速、有时甚至剧烈的反应。但为了做出适当的反应,植物必须能够敏感地控制激素分子的水平和活性。

《科学》杂志的这篇论文揭示了一种关键的控制机制:一组附着的酶


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸激素分子以打开或关闭荷尔蒙。取决于激素和氨基酸,反应可以激活激素,使其放入储存或标记为破坏。

例如,在模型植物中,在活性自由形式中发现了少于5%的植物素。大多数是缀合(附着)到氨基酸和无活性,构成可以快速转化为无活性形式的分子池。

氨基酸的附着是由一大类被称为GH3s的酶(蛋白质)催化的,这种酶可能起源于4亿年前,在陆地植物进化之前。随着时间的推移,基因发生了变化:在苔藓中只有很少的基因,但在泰利芥中有19个,总共有100多个。

“大自然会发现有用的东西,并与之相伴,”杰斯说。他说,GH3s是基因家族扩展以适应多种目的的一个显著例子。

一个旋转的激素改造机器

来自大豆的第一个GH3基因 - 于1984年被测序。但基因(或蛋白质)序列略微揭示了什么蛋白质,以及它们如何做到。为了了解功能,科学家必须弄清楚这些酶如何开始作为氨基酸的长项链,折叠成带有保护性的化学反应的刀绿球。

不幸的是,蛋白质折叠是一个臭名昭着的难题,一个尚未超出计算机计算范围,至少作为常规的问题。因此,大多数蛋白质结构仍然通过将蛋白质结晶并用X射线轰击晶体来定位其中的原子来解决。JEZ实验室和欧洲同步辐射设施的结构生物学群体都专注于蛋白质结晶。yabo124

GH3酶

所检查的所有GH3酶都具有相同的锤子和砧座结构。反应物(绿色)夹在“砧”(蓝色)中的活性位点,“锤子”(紫色)在活性位点上旋转。酶催化两步反应:当活性位点打开时,第一步发生,第二步骤闭合时。

幸运的是,科学家们能够将酶冷冻成两种不同的构象。这些信息,以及通过改变酶活性部位的氨基酸收集到的信息,让他们拼凑出酶在做什么。

结果证明,GH3酶,其折叠成称为锤子和铁砧的形状,CatayLze两步化学反应。在第一步中,酶的活性位点是开放的,允许ATP(腺苷三磷酸,细胞的储能分子)和植物激素的游离酸形式进入。

一旦这些分子结合在一起,这种酶就会把磷酸基从ATP分子上剥离出来,形成AMP,并把AMP粘在激素的“活化”形式上,这种反应被称为腺苷化。

腺苷化反应触发部分酶在活性位点上旋转,准备催化第二种反应,在第二种反应中,一个氨基酸被吸附到激素分子上。这被称为转移酶反应。

“当你取出这两个磷酸盐后,”Jez说,“分子的顶部会棘轮进入并建立一个完全不同的活性位点。我们很幸运地从晶体学的角度捕捉到了这一点,因为我们在两个位置都捕捉到了酶。”

同样的基本两步反应可以激活或灭活激素分子。例如,在一种茉莉酸中添加氨基酸异亮氨酸,可使茉莉酸激素具有生物活性。另一方面,在被称为IAA的生长素中加入氨基酸天冬氨酸则标志着它的破坏。

这是第一次解决任何GH3结构。

匆忙培育植物

了解强大的植物激素系统将给科学家提供一种更快、更有针对性的方法来培育和驯化植物物种,这种速度将是跟上植物生长区域快速转移所需要的。

植物激素,如动物激素,通常影响许多基因的转录,因此具有多种效果,有些期望和其他不希望的效果。但GH3突变体提供了可能的诱人的瞥见:有些是对细菌病原体的抗性,其他对真菌病原体和一些是异常的耐旱性。

Westfall提到,2003年,普渡大学(Purdue University)的一位科学家发现,一种玉米品种虽然茎短,但穗部正常,但发生了突变,干扰了植物中生长素的流动。

由于这种植物体积小得多,它们相对抗旱,可能可以在北美玉米品种无法生存的印度种植。类似的高产矮缩品种可能在世界上许多人面临饥饿风险的地区防止饥荒。

图片来自圣路易斯的华盛顿大学