Ученые из Университета Тохоку в Японии выяснили, как работает белок AKT5, функция которого оставалась неясной более 30 лет. Открытие объясняет, как растения регулируют рост стеблей, и может помочь в выведении более урожайных сортов овощей, например сельдерея.
Калий – один из трех ключевых макроэлементов для растений наряду с азотом и фосфором. Он участвует в фотосинтезе, клеточном росте и регулирует водный баланс. Для его транспортировки из почвы растения используют белковые калиевые каналы. Один из таких каналов, AKT5, был открыт у модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) более трех десятилетий назад, однако его точная роль и принцип действия оставались загадкой.
Группа исследователей под руководством Нобуюки Уодзуми смогла доказать, что AKT5 действительно транспортирует калий. Прорыв произошел, когда ученые добавили в экспериментальную систему специфический фермент. Оказалось, что белок «включается» только после того, как фермент присоединяет к нему фосфатную группу – этот процесс называется фосфорилированием. Без этого химического сигнала канал остается неактивным, чем и объяснялись неудачи предыдущих исследований.
С помощью криоэлектронной микроскопии ученые изучили трехмерную структуру белка и точно определили, какой именно участок отвечает за его активацию. Заменив всего одну аминокислоту в этом участке, они смогли заставить канал работать даже без участия фермента. Это открытие дает молекулярный «ключ» к управлению активностью белка.
Исследователи установили, что белок AKT5 в основном сосредоточен в черешках листьев – структурах, которые соединяют лист со стеблем. Растения, у которых этот белок отсутствовал, имели более короткие черешки. Это критически важно в условиях высокой плотности посадки, когда растения конкурируют за свет. Длинные черешки позволяют листьям занимать более выгодное положение для фотосинтеза. Эксперименты подтвердили: в загущенных посадках растения без AKT5 росли хуже и были меньше обычных.
Механизм действия белка прост: он помогает клеткам черешка накапливать калий, что повышает их внутреннее давление и заставляет их вытягиваться в длину. Поскольку у многих овощных культур, таких как сельдерей или мангольд, именно черешки употребляют в пищу, управление активностью AKT5 открывает перспективы для сельского хозяйства. Селекционеры смогут выводить сорта с более крупными и мясистыми стеблями, а агрономы – использовать более плотные схемы посадки без потери урожайности. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.