Penemuan baru menawarkan informasi penting untuk meningkatkan hasil panen

Anonim

Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan di Pusat Sains Tanaman Donald Danforth, salah satu institut ilmu tanaman independen terbesar di dunia, telah membuat beberapa penemuan ilmiah yang menunjukkan peran penting protein Heterotrimerik G dalam perkembangan tanaman, toleransi stres dan peningkatan hasil. Dalam beberapa bulan terakhir, Sona Pandey, Ph.D., peneliti utama di Danforth Center dan kolaboratornya telah menerbitkan serangkaian makalah baru tentang penelitian mereka yang didanai oleh National Science Foundation (NSF) dan Institut Nasional Pangan dan Pertanian (NIFA). Publikasi terbaru mengungkapkan lebih banyak informasi tentang bagaimana protein G berevolusi dan memberikan petunjuk untuk peran mereka dalam mengatur pertumbuhan tanaman dan respons stres abiotik.

Heterotrimeric G-proteins hadir di semua organisme eukariotik dari jamur sederhana untuk manusia dan tumbuhan. Protein mengatur pertumbuhan kritis dan proses perkembangan dalam organisme ini dengan bertindak sebagai saklar molekuler. Sementara dipelajari secara luas pada manusia karena keterlibatan mereka dalam banyak penyakit dan neurotransmisi, pengetahuan mekanisme pensinyalan G-protein dan signifikansi mereka pada tanaman masih relatif langka. Pandey dan rekannya pertama kali menemukan G-protein dalam ganggang hijau, membenarkan bahwa protein ada sejak awal selama evolusi tanaman. Dalam karya terbaru mereka bekerja sama dengan kelompok Dr. Ralph Quatrano di Washington University di St. Louis, mereka menemukan bahwa protein G sangat penting untuk penyelesaian siklus hidup lumut, tanaman non-vaskular dari garis keturunan tanaman basal. Lumut, yang memiliki gaya hidup gametofitik yang dominan, diselingi dengan fase sporofit yang pendek, gagal membentuk sporofit (satu-satunya tahapan diploid dalam siklus hidupnya) ketika subunit G-protein spesifik dihapus secara genetik. Ini penting karena sebelum pekerjaan ini, tanaman G-protein dianggap tidak penting dan bersifat modulasi. Hasil penelitian ini diterbitkan dalam jurnal, Plant Physiology berjudul "Formasi sporofit dan penyelesaian siklus hidup pada lumut membutuhkan heterotrimerik G-protein" 22 Agustus. Pii: pp.01088.2016.

Salah satu bidang fokus utama dari penelitian laboratorium Pandey adalah untuk mengungkap mekanisme sinyal baik yang dilestarikan dan unik dan komponen protein G heterotrimerik pada tumbuhan. Untuk mengatasi beberapa pertanyaan yang terkait dengan kehilangan yang diusulkan dari salah satu protein pengatur utama dari kompleks G-protein, Regulator protein G-protein Signaling (RGS) dalam garis keturunan monokotil, mereka melakukan evolusi besar dan struktur / fungsi. analisis bekerja sama dengan lab Dr. Toby Kellogg di Danforth Center dan lab Dr. Joe Jez di Washington University. Hasil mereka menantang dogma saat ini di lapangan dan menegaskan bahwa protein RGS tersebar luas dalam garis keturunan monokotil, meskipun mereka sering kehilangan. Penelitian ini juga menunjukkan bahwa antarmuka fungsional antara G-protein α subunit dan protein RGS dilestarikan di semua organisme termasuk antara tumbuhan dan manusia. Penelitian ini baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal, New Phytologist, berjudul "Gα dan Regulator pasangan protein G-protein Signaling (RGS) mempertahankan kompatibilitas fungsional dan antarmuka interaksi yang dilestarikan sepanjang evolusi meskipun sering kehilangan protein RGS pada tanaman."

Dalam upaya untuk mengidentifikasi protein tambahan yang memiliki aktivitas biokimia yang sama seperti protein RGS, laboratorium Pandey juga mengidentifikasi peran jenis protein hidrolisat lipid, fosfolipase Dα1 (PLD α1) dalam mengatur siklus G-protein. Penelitian ini memberikan petunjuk untuk protein tambahan yang terlibat dalam regulasi jalur sinyal G-protein pada tumbuhan, dan menambahkan secara signifikan pada keragaman yang mungkin ada pada mekanisme pengaturan tanaman. Penelitian ini juga menunjukkan bahwa subunit G-protein yang sama dan modulatornya menunjukkan interaksi fisiologis dan genetik yang berbeda tergantung pada sinyal khusus dan jalur perkembangan yang membantu untuk menyesuaikan respon tanaman terhadap lingkungan yang terus berubah. Temuan ini baru-baru ini diterbitkan dalam The Plant Journal dalam sebuah artikel berjudul "Peran PLDα1 dalam memberikan spesifisitas untuk respon sinyal-kopling oleh komponen heterotrimerik G-protein di Arabidopsis " 86 (1): 50-61. DOI: 10.1111 / tpj.13151.

Tambahan, aspek yang lebih langsung diterapkan penelitian di laboratorium Pandey terkait dengan pengaturan pembentukan nodul di kacang-kacangan seperti kedelai dan peningkatan hasil dengan mengendalikan ukuran benih dan jumlah biji. Mereka baru-baru ini menemukan peran G-protein dalam pengaturan pembentukan bintil di kedelai dan menemukan jalur sinyal di mana reseptor persepsi faktor NOD berinteraksi dengan dan memfosforilasi komponen G-protein untuk mengendalikan bilangan nodul pada tanaman. Penelitian ini diterbitkan dalam The Plant Cell berjudul "Peraturan Fosforilasi-Tergantung Siklus G-Protein selama Formasi Nodule di Kedelai" 27 (11): 3260-76. DOI: 10.1105 / tpc.15.00517.

Penelitian yang berkaitan dengan peningkatan hasil panen terkait dengan subunit protein G yang baru ditemukan, tipe III Gγ. Laboratorium Pandey pertama kali menemukannya di kedelai dan secara bersamaan dilaporkan dalam Arabidopsis dari dua kelompok tambahan. Penelitian dari laboratorium Pandey dan lain-lain telah mengkonfirmasi peran protein tipe III G in dalam meningkatkan hasil, efisiensi penggunaan nitrogen dan respon stres. Karya ini telah menyebabkan pengembangan hipotesis penting tentang beberapa pertanyaan yang tidak terjawab terkait dengan mekanisme aksi dari protein ini, yang Pandey baru-baru ini telah mendapatkan hibah dari National Science Foundation.

"G protein, alpha, beta dan gamma dan modulator mereka penting karena mereka memainkan peran penting dalam perkembangan tanaman, termasuk buah dan ukuran benih dan produksi, pertahanan terhadap hama dan patogen dan respon terhadap tekanan abiotik seperti kekeringan dan ozon, " Pandey kata. "Memahami fungsi mereka pada tingkat yang sangat dasar merupakan langkah penting dalam proses pengembangan produk yang dapat diterapkan untuk meningkatkan hasil panen dan mengatasi masalah lingkungan yang terkait dengan produksi pertanian."

Penelitian yang sedang berlangsung di laboratorium Pandey berusaha untuk meningkatkan tanaman yang membutuhkan lebih sedikit pupuk yang mengandung nitrogen dan membatasi faktor stres untuk meningkatkan hasil dengan memahami mekanisme pengaturan dan struktur / fungsi hubungan protein signaling penting pada tanaman.

menu
menu