Klijavost sjemena kod mnogih biljaka ovisi o svjetlosti. Ali ne uvijek: Aethionema arabicum, biljka prilagođena izazovnim uvjetima okoliša, radi to na svoj način. Ovdje fitokromi, receptori za crveno i daleko crveno svjetlo, igraju neočekivanu ulogu u klijanju sjemena i tempiraju ovaj proces do optimalne sezone.
Ovi nalazi, sada objavljeni u Fiziologija biljaka, uvjerljiv su primjer evolucijskog ponovnog ožičenja signalnih modula koji pomažu biljkama da se prilagode svojim staništima. Studiju su vodili istraživači s Gregor Mendel instituta za molekularnu biologiju biljaka (GMI) Austrijske akademije znanosti.
Dok su neki sjeme biljaka zahtijeva svjetlost za klijanje, drugo sjeme je neosjetljivo na svjetlo ili ga čak inhibira. Većina uvida u ulogu svjetla tijekom klijanje sjemena potječu iz studija koje su koristile modelni organizam Arabidopsis thaliana, gdje je svjetlost potrebna za pokretanje klijanja.
Nasuprot tome, svjetlo je snažan inhibitor klijanja kod drugih biljaka, ali molekularna osnova ovog učinka ostala je uglavnom nepoznata. Tim istraživača, predvođen dr. Zsuzsannom Mérai na Institutu Gregor Mendel (GMI), sada je upotrijebio biljku Aethionema arabicum (Brassicaceae) za istraživanje molekularnog mehanizma inhibicije svjetlosti sjeme klijanje.
Aethionema arabicum potječe s otvorenih i suhih staništa gdje bi klijanje sjemena na površini tijekom vedrih, dugih i vrućih dana smanjilo šanse za preživljavanje klijanaca. Svjetlosna inhibicija klijanja tumači se kao svojstvo ograničavanja klijanja na hladnija godišnja doba ili na podzemno sjeme.
U svojoj studiji, Mérai i njezini kolege pokazali su da fitokromi, svjetlosni receptori za crvene i daleko crvene valne duljine, igraju dvostruku ulogu u odgovoru na svjetlost kod Aetioneme; mogu potaknuti ali i spriječiti klijanje. Mjerenjem intenzitet svjetlosti i trajanja putem fitokroma sjemenke dobivaju informacije o duljini dana, a time i o godišnjem dobu.
Ciparska varijanta pomaže u razumijevanju svjetlosne inhibicije
Mérai i njezini kolege koriste sjeme jedne varijante Aethioneme podrijetlom s Cipra (CYP) koje ne klija nakon izlaganja bijeloj svjetlosti. U svom prirodno stanište, CYP varijanta klija samo u rano proljeće kada su dani relativno kratki, a temperature niske. To omogućuje biljci da završi svoj životni ciklus prije sušne ljetne sezone.
Mérai je pokušao istražiti mehanizam inhibicije svjetlosti kod Aethionema CYP stvaranjem zbirke mutageniziranih sjemenki koje su pregledali na mutante koji mogu klijati i na bijelom svjetlu, za razliku od izvorne linije. Sada su istraživači opisali jednog mutanta na molekularna razina.
Zvali su ga "koy-1", prema Koyashu, bogu sunca u turskoj mitologiji. Pokazali su da njegova mutacija utječe na HEME OXYGENASE 1, ključni gen potreban za biosintezu kromofora, molekula fitokroma koje detektiraju svjetlost. Ova mutacija ograničava količinu proteina kromofora i odgovorna je za promijenjenu reakciju koy-1 na svjetlost.
Dvostruka uloga fitokroma omogućuje prilagodbu okolišu
Mutant koy-1 omogućio je Mérai i njezinim kolegama da otkriju daljnje mehaničke detalje. "Mijenjanjem intenziteta svjetlosti, valne duljine i trajanja, uspjeli smo razlučiti složene obrasce reakcije na svjetlost povezane s fitokromima u Aetionemi", kaže Mérai."Niska rezidualna količina funkcionalnih fitokroma u koy-1 omogućila nam je da otkrijemo iznenađujuću dvostruku ulogu u klijanju sjemena Aetioneme.”
Njihovi pokusi pokazali su da visoki intenzitet i trajanje svjetlosti snažno inhibiraju klijanje, dok kratka izloženost pogoduje klijanju. Ova dva suprotna odgovora na svjetlost proizlaze iz različitih omjera između dva ključna hormona: apscizinske kiseline (ABA) koja inhibira klijanje u odnosu na giberelinsku kiselinu (GA) koja inducira klijanje.
“Već smo znali da je izlaganje svjetlosti kod Arabidopsisa rezultiralo visokim razinama GA i niskim razinama ABA. Sada također znamo da Aethionema CYP reagira slično pod vrlo ograničenim svjetlom. Međutim, s povećanjem zračenja, razine hormona idu doslovno naglavačke, što dovodi do inhibicije klijanja,” kaže Mérai. "Suprotni odgovori na intenzitet i trajanje svjetla imaju genetsku osnovu i prilagodbu su prirodnom okruženju biljaka, omogućujući Aethionemi CYP da klija u rano proljeće, ali ne kasnije."
Evolution radi s modulima za ponovno ožičenje
Otkrivajući da isti molekularni igrači mogu posredovati u dijametralno suprotnim učincima, tim dokumentira kako je evolucija mogla "preurediti" postojeće module kako bi adekvatno odgovorili na zahtjeve okoliša. S takvim kombinatornim varijacijama, dokumentiranim u više organizama, evolucija može postići "brze" promjene bez potrebe za novim igračima da evoluiraju od nule.
“Naša otkrića utiru put boljem razumijevanju molekularnih procesa u prirodi i bioraznolikosti proučavanjem nemodelnih organizama i nekulturnih biljaka. Znanstvena saznanja stečena o Arabidopsisu bitna su, ali nisu uvijek reprezentativna za sve biljke. Ovdje pokazujemo da bismo čak mogli otkriti potpuno suprotne molekularne mehanizme u prirodi,” zaključuje Mérai, čiji rad postavlja Aetionemu kao novi model za proučavanje učinaka svjetla na sjeme nicanje.