Dr Ewa Mazur z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach jest współautorką artykułu, który ukazał się na łamach prestiżowego czasopisma „Nature”. Biolożka wraz z międzynarodowym zespołem naukowców zbadała, jaki jest udział białek ABP1–TMK1 w szybkich odpowiedziach komórkowych związanych z procesem tzw. fosforylacji i transportem auksyny u rośliny modelowej Arabidopsis.

Dr Ewa Mazur

– Arabidopsis to malutka, jednoroczna roślina zielna, która należy do rodziny kapustowatych (Brassicaceae). Dla mnie podobieństwo między Arabidopsis a kapustą nie jest jednoznaczne, dostrzegam natomiast pewne cechy wspólne modelowej rośliny z... drzewami – mówi dr Ewa Mazur.

Okazuje się bowiem, że w pewnych sprzyjających okolicznościach można uzyskać u Arabidopsis, i to stosunkowo szybko, bo zaledwie w ciągu kilku dni, przyrost wtórny na obwodzie pędu kwiatostanowego. W trakcie tworzenia się tego przyrostu widać aktywnie funkcjonującą tkankę, zwaną kambium. Przybiera ona postać specyficznego pokładu komórek merystematycznych, które są odpowiedzialne za tworzenie wtórnego łyka i wtórnego drewna.

– To jest właśnie analogia do przyrostów wtórnych obserwowanych w trakcie rozwoju drzew – wyjaśnia badaczka.

Jak zasygnalizowano wcześniej, Arabidopsis jest rośliną modelową. W praktyce oznacza to, że naukowcy mają do dyspozycji mnóstwo linii transgenicznych, mutantów, które sami mogą tworzyć w laboratoriach. Dzięki temu testują na poziomie komórkowym i molekularnym mechanizmy opisujące m.in. różnicowanie tkanki waskularnej. Jednym z hormonów roślinnych odpowiedzialnych za ten proces jest hormon do zadań specjalnych – auksyna. Aby mogła spełnić swoje zadanie, musi w jakiś sposób „przemieszczać się” do różnych części rośliny. Naukowcy wiedzą, że aby było to możliwe, tworzą się pewne skanalizowane ścieżki, którymi jest transportowana.

– Mnie interesuje to, jak dochodzi do odpowiedzi komórkowej, w wyniku której tworzą się wspomniane przed chwilą skanalizowane ścieżki, oraz w jaki sposób odbudowywana jest tkanka waskularna w sytuacji występowania różnych uszkodzeń, na przykład nacięcia części rośliny – mówi współautorka artykułu.

Dr Ewa Mazur prowadzi badania tego procesu od wielu lat, wspólnie z zespołem prof. Jiríego Frimla.

- Z austriackiego laboratorium otrzymuję linie transgeniczne Arabidopsis do dalszych analiz. Następnie, wspólnie z innymi naukowcami, opisuję odpowiedzi komórek roślinnych na interesujące nas procesy – dodaje biolożka.

Zregenerowana tkanka waskularna wokół nacięcia wybarwiona błękitem toluidyny

Pewne mechanizmy obserwowane np. u drzew czy innych roślin były już znane wcześniej. Przedmiotem wielu badań było opisywane w publikacji białko ABP1, które wiąże auksynę. – Sporo już o nim wiemy. Podejrzewaliśmy, że to właśnie ono jest powiązane z szybkimi odpowiedziami komórek roślinnych na auksynę, przy czym bardzo trudno było to jednoznacznie przedstawić – mówi dr Ewa Mazur. – Nasze badania wykazały, że aby białko ABP1 było skuteczną cząsteczką wiążącą auksynę, potrzebna jest kinaza transbłonowa, która umożliwia szybką fosforylację białek. Dochodzimy tym samym do najważniejszej części naszego odkrycia – dodaje.

Proces fosforylacji polega na przenoszeniu grup fosforanowych na białka przez enzymy zwane kinazami. Dzięki temu białka mogą nie tylko podlegać różnym modyfikacjom i zmieniać w obrębie komórki swoje właściwości, lecz również swoją lokalizację. W przypadku regeneracji tkanki waskularnej istotne znaczenie ma szybka relokalizacja białek transportujących auksynę w obrębie komórki roślinnej i ukierunkowany przepływ auksyny przez odpowiednią grupę komórek, które tworzą specyficzne kanały i ostatecznie różnicują się w tkankę waskularną.

– Auksyna, o transporcie której właśnie rozmawiamy, to bardzo ciekawa substancja. Jest jednym z pierwszych hormonów roślinnych odkrytych przez naukowców. Ma szerokie spektrum działania. Wpływa na rozwój zarodkowy organizmu, bierze udział w kształtowaniu różnych organów, np. liści, korzeni. Ma też znaczenie dla różnicowania komórek, czyli ich podziału i tworzenia się specyficznych tkanek, w tym wspomnianego kambium – wyjaśnia badaczka.

Jak dodaje, niezwykłą cechą auksyny jest także fakt, że przemieszcza się polarnie. Oznacza to, że może być transportowana z komórki do komórki w ściśle określonym kierunku. Żeby mogło do tego dochodzić, muszą one w odpowiedni sposób zareagować na obecność fitohormonu.

Auksynę można zatem porównać do „mózgu” rośliny.

Obecność auksyny w komórkach wokół nacięcia wizualizowana białkiem zielonej fluorescencji GFP, mikroskopia konfokalna

– Już od momentu tworzenia się zarodka to właśnie ten hormon decyduje, w jaki sposób zarodek ma być ukształtowany. Obecność auksyny wydaje się kluczowa także na dalszych etapach rozwoju, gdy tworzą się organy, takie jak: liście, korzenie, pędy boczne. Jakiekolwiek defekty związane z transportem fitohormonu powodują zaburzenia rozwojowe – mówi dr Ewa Mazur.

Jednym z eksperymentów, które prowadzi biolożka, jest nacinanie poprzeczne pędów kwiatostanowych roślin. Działanie to polega przede wszystkim na zaburzaniu polarnego transportu auksyny, czyli blokowaniu jej przepływu. To z kolei pozwala obserwować po pierwsze, co dzieje się z hormonem, w jaki sposób reaguje na taką typową przeszkodę. Po drugie, prowadzona jest obserwacja reakcji komórek znajdujących się wokół tego uszkodzenia.

Badania pokazały, że auksyna w takim przypadku zaczyna się kumulować bezpośrednio nad nacięciem. Może to trwać nawet kilka dni. Następnie znajduje alternatywne źródła przepływu, przy czym udział w jej transporcie biorą komórki znajdujące się wokół nacięcia. – Najciekawsze jest to, że tylko pojedyncze komórki odpowiadają na obecność auksyny i to one tworzą kanały, aby nimi przetransportować dalej fitohormon i tym samym ominąć uszkodzenie oraz umożliwić różnicowanie w tkankę waskularną. Tak oto dochodzi do regeneracji – wyjaśnia badaczka.

Jest to jeden z dowodów niezwykłej, dobrze skoordynowanej komunikacji międzykomórkowej. Stąd też bierze się porównanie auksyny do „mózgu” sterującego rozwojem rośliny poprzez decydowanie o aktywności poszczególnych komórek na różnych etapach. Warto dodać, że te odpowiedzi zachodzą w różnym czasie, nieraz bardzo szybko, innym razem wolniej. To z kolei zależy od obecności fitohormonu w określonych tkankach lub organach roślinnych.

Naukowcy pracujący w zespole prof. Jiríego Frimla zastanawiali się, z czego wynika szybka odpowiedź komórkowa w procesie regeneracji i polarnego transportu interesującego ich fitohormonu. Od dawna podejrzewali, że dużą rolę odgrywa wspomniane wcześniej białko ABP1. Były to jednak trudne do udowodnienia intuicje. Potem wpadli na pomysł, że być może nie działa ono w pojedynkę, tylko wymaga obecności partnera zlokalizowanego na błonie komórkowej. Pojawił się trop kinazy transbłonowej w postaci białka TMK1, który okazał się strzałem w dziesiątkę. Ich badania potwierdziły, że za szybką reakcję komórek w obu wymienionych wcześniej procesach odpowiada tak naprawdę tandem białek ABP1–TMK1, a przełomowe wyniki zostały opublikowane w „Nature”.

– Obecnie zastanawiamy się, jak to się dzieje, że w początkowo jednorodnej tkance część komórek jest w stanie odpowiedzieć na auksynę i rozpocząć determinację w kierunku zmiany różnicowania, podczas gdy inne komórki pozostają obojętne na obecność tego hormonu. Do tej pory próbujemy ten temat zgłębić. Jeszcze nie wszystko zostało odkryte. W 2023 roku rozpoczynamy w związku z tym kolejny wspólny projekt naukowy, mający na celu połączenie wyników dotychczasowych badań z nurtującym nas pytaniem, o którym wspomniałam przed chwilą. Wiele eksperymentów jeszcze przed nami – podsumowuje dr Ewa Mazur.

Artykuł pt. „ABP1–TMK auxin perception for global phosphorylation and auxin canalization”, którego współautorką jest dr Ewa Mazur, ukazał się na łamach czasopisma „Nature” we wrześniu 2022 roku.