Cenevre Üniversitesi ve Neuchâtel Üniversitesi araştırmacıları bir araya gelerek, tohum çimlendikten sonra fide ya da fidana nasıl dönüştüğüne açıklık getirdiler. 

Çimlenme sırasında, bir tohum içindeki embriyo, 48 saatten kısa bir sürede fotosentez yapabilen genç bir fide haline gelmelidir. Bu süre zarfında, sadece hızlı bir şekilde tüketilen iç rezervlerine güvenir. Bu nedenle, hızlı bir şekilde hayatta kalmasını sağlamak için kendisine,şeker üretmesini sağlayacak işlevsel kloroplastlar, hücresel organeller yaratmalıdır. Cenevre Üniversitesinden (UNIGE) ve Neuchâtel Üniversitesi’nden (UniNE) araştırmacılar, Current Biology dergisinde, şimdiye kadar hiç çalışılmayan organellerden, proplastidlerden, kloroplast oluşumunu kontrol eden temel unsurları ortaya çıkardılar. Bu tür bir mekanizma, tohum çimlenmeye karar verir vermez, otonom büyümeye hızlı bir geçiş sağlar.

Karasal ortamlardaki çiçekli bitkilerin şaşırtıcı şekilde çoğaltılması ve çeşitlendirilmesi, esas olarak evrim sırasında tohumların ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır. Uyku haline olan (dormansi) embriyo kapsüllenir ve çimlenmesini kolaylaştıran çok dayanıklı bir yapı içerisinde korunur. Bu aşamada fotosentezi gerçekleştiremez ve çimlenme sırasında tohumda depolanan besleyici rezervleri tüketir. Bu süreç güçlü bir embriyonun kırılgan bir fide haline dönüşmesini uyarır. “Bu, özellikle büyüme hormonu gibberellik asit (GA) tarafından düzenlenen, bir bitkinin yaşamındaki kritik bir aşamadır. Dış koşullar elverişsiz olduğunda bu hormonun üretimi bastırılır.

Hücre parçalayıcıya gönderilen proteinleri içe alımı

Embriyonun GA sentezi ile dormansiden çıkması sonucu, proplastinin, fotosentez sayesinde şeker üretebilen biyolojik fabrikalara, kloroplastlara ayrılmasına neden olur. “Binlerce farklı protein, gelişmekte olan kloroplastlara aktarılır ve bu süreç sadece TOC159 adlı bir proteinin varlığında gerçekleşebilir. Eğer TOC159 proteini işlevini yapmazsa, bitki kloroplastları aktif hale geçemez ve yeşil rengi alamadığı için albino kalır.”

Peki tohum, embriyonun korunmuş bir halde kalmasına veya tam tersine bir şansa sahip olup olmadığına nasıl karar verir ve çimlenme mekanizması nasıl gerçekleşir? Neuchâtel grubundaki araştırmacı ve ilk yazar olan Venkatasalam Shanmugabalaji, “GA bastırıldığı sürece, TOC159 proteinlerinin hücresel atık kutusuna, parçalanmasını sağlayacak bir mekanizma kurulduğunu keşfettik,” diye açıklıyor.

Yüksek performanslı biyomekanizm

Dış koşullar çimlenme için uygun hale geldiğinde, tohumda GA konsantrasyonu artar. Biyologlar, bu hormonun yüksek konsantrasyonlarının, TOC159 proteinlerinin bozunmasını dolaylı olarak engellediğini keşfettiler. Ayrıca bu nedenle proplastidlerin zarına sokulabilir ve aynı zamanda hücresel atık selesinden kaçan fotosentetik proteinlerin kargolarının ithal edilmesini sağlayabilir.

İlk işlevsel kloroplastların, 48 saatten daha az bir sürede devreye girmesiyle embriyonun rezervlerine otonom bir gelişmeye bağlı olarak hızlı bir şekilde büyümesini sağlar. Bu yüksek performanslı mekanizma, fidelerin, birçok zorlukla yüzleşmek zorunda kalacağı bir ortamda hayatta kalmasına katkıda bulunur.

Çalışmanın Özeti

Chloroplast biogenesis, visible as greening, is the key to photoautotrophic growth in plants. At the organelle level, it requires the development of non-photosynthetic, color-less proplastids to photosynthetically active, green chloroplasts at early stages of plant development, i.e., in germinating seeds. This depends on the import of thousands of different preproteins into the developing organelle by the chloroplast protein import machinery [1]. The preprotein import receptor TOC159 is essential in the process, its mutation blocking chloroplast biogenesis and resulting in albino plants [2]. The molecular mechanisms controlling the onset of chloroplast biogenesis during germination are largely unknown. Germination depends on the plant hormone gibberellic acid (GA) and is repressed by DELLA when GA concentrations are low [3, 4]. Here, we show that DELLA negatively regulates TOC159 protein abundance under low GA. The direct DELLA-TOC159 interaction promotes TOC159 degradation by the ubiquitin/proteasome system (UPS). Moreover, the accumulation of photosynthesis-associated proteins destined for the chloroplast is downregulated posttranscriptionally. Analysis of a model import substrate indicates that it is targeted for removal by the UPS prior to import. Thus, under low GA, the UPS represses chloroplast biogenesis by a dual mechanism comprising the DELLA-dependent destruction of the import receptor TOC159, as well as that of its protein cargo. In conclusion, our data provide a molecular framework for the GA hormonal control of proplastid to chloroplast transition during early plant development.

Çeviri ve Derleme: Popüler Tarım

Daha Fazla Bilgi İçin: Current Biology (2018). DOI: 10.1016/j.cub.2018.06.006

Kaynak: https://phys.org/news/2018-08-seed-hours-survive.html