Växter reagerar på ljus inom bråkdelen av en sekund

Forskare har upptäckt invecklade strukturella förändringar hos växter, svampar och bakterier som en reaktion på ljus, enligt en ny studie som publicerades idag i open access-tidskriften eLife.

Upptäckterna ger en ny inblick i funktionen hos proteinmolekylerna fytokromer, som förekommer i dessa tre typer av organismer. Resultaten skulle kunna leda till möjlighet att ta fram växter och grödor, som växer mer effektivt.

Växter anpassar sig till ljus

Växter anpassar sig hela tiden till ljusförändringar och styr sina tillväxtmönster efter omgivningens ljus. De åstadkommer detta med hjälp av fytokromer, som är proteiner som detekterar ljus hos all växtlighet på jorden. Fytokromer kan anta två olika former beroende på ljusförhållanden.

– Fytokromet gör att organismerna kan uppfatta skillnaden mellan två färger av ljus, så att växter, svampar och bakterier får ett primitivt tvåfärgsseende, förklarar förstaförfattaren Elin Claesson, doktorand vid Göteborgs universitet.

– Nyckeln till funktionen är den initiala responsen på ljus, där ljussignalen omvandlas till strukturella förändringar på en bråkdels sekund. Mekanismerna som möjliggör denna omvandling är inte fullt kartlagda, eftersom tekniken för att studera fytokromer omedelbart efter det att ljuset har nått dem inte tidigare har varit tillgänglig.

För att fylla denna kunskapslucka använde teamet, lett av Sebastian Westenhoff, professor vid institutionen för kemi och molekylärbiologi vid Göteborgs universitet och Marius Schmidt, professor vid institutionen för fysik vid University of Wisconsin-Milwaukee i USA, en ny röntgenlaser som kan ta bilder av proteiner på atomnivå var 10:e femtosekund (en kvadriljontedel av en sekund). Det gjorde att de kunde avslöja rörelsen hos varje atomkomponent i fytokromproteinet och sätta ihop den kaskad av händelser som utlöser tillväxt som svar på ljus.

Upptäckte att proteinet hade omorganiserats

Teamet upptäckte en förvånansvärt stor strukturell omorganisering av proteinet. Bland annat upptäckte teamet att en vattenmolekyl, som kallas för pyrrolvatten och förekommer på samma plats i fytokromer i alla organismer, hade förflyttats ifrån sin ursprungliga position.

– Dessa upptäckter visar att den initiala reaktionen på ljus i hög grad är kollektiv och att många delar av kromoforen och fytokromproteinet spelar en viktig roll, sammanfattar seniorförfattaren Sebastian Westenhoff.

– Vår studie bekräftar en tidigare föreslagen modell för strukturförändringar och indikerar att pyrrolvattenmolekylen också är viktig i processen för signalering. Vi föreslår att de båda kemiska händelserna arbetar tillsammans för att göra det möjligt för fytokromproteiner att omvandla ljus till strukturella signaler och vägleder tillväxten och utvecklingen hos växter, svampar och bakterier på jorden, säger han.

Kontakt:
Sebastian Westenhoff, professor vid institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet, 0766-18 39 36, sebastian.westenhoff.2@gu.se

Referenser
Artikeln ”The primary structural photoresponse of phytochrome proteins captured by a femtosecond X-ray laser” finns fritt tillgänglig online på:
https://doi.org/10.7554/eLife.53514. Innehållet, inklusive text, bilder och data, är fritt att använda med CC BY 4.0-licens.

Om eLife
eLife strävar efter att hjälpa forskare till snabbare upptäckter genom att driva en plattform för forskningskommunikation som uppmuntrar och uppmärksammar de mest ansvarsfulla vetenskapliga studierna. Vi publicerar viktig forskning inom alla områden av life science och biomedicin, inklusive strukturell biologi och molekylär biofysik, som väljs ut och utvärderas av aktiva forskare och görs fritt tillgänglig online utan fördröjning. eLife investerar också i innovation genom open source-utveckling för att accelerera forskningskommunikation och -upptäckter. Vårt arbete styrs av de samhällen vi lever i. eLife stöds av Howard Hughes Medical Institute, Max Planck-sällskapet, Wellcome Trust och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Läs mer på https://elifesciences.org.
Läs den senaste forskningen inom strukturell biologi och molekylär biofysik som publicerats i eLife på:https://elifesciences.org/subjects/structural-biology-molecular-biophysics.