Planten kunnen een breed spectrum licht waarnemen en erop reageren. Nieuw onderzoek van prof. Nitzan Shabek's laboratorium van de afdeling Plantenbiologie van het College of Biological Sciences (VS) laat zien hoe planten met name op blauw licht kunnen reageren.
Shabek: "Planten kunnen veel beter zien dan wij. Planten hebben geen speciale lichtdetecterende organen, zoals onze ogen. Ze hebben wel een verscheidenheid aan speciale receptoren die bijna elke golflengte kunnen waarnemen. Een daarvan zijn de blauwlichtfotoreceptoren, die cryptochromen worden genoemd. Wanneer het cryptochroom een inkomend foton detecteert, reageert het op een manier die een unieke fysiologische respons teweegbrengt.
Cryptochromen zijn waarschijnlijk miljarden jaren geleden met de eerste levende bacteriën ontstaan en ze lijken erg op elkaar bij bacteriën, planten en dieren. Mensen hebben cryptochromen in onze ogen, waarmee ze betrokken zijn bij het in stand houden van onze cyclische klok. In planten beheersen cryptochromen een verscheidenheid aan kritische processen, waaronder het ontkiemen van zaden, de bloeitijd en de werking van de cyclische klok. De fotochemie, de regulatie en de door licht veroorzaakte structurele veranderingen blijven echter onduidelijk.
In een nieuwe studie, gepubliceerd op 4 januari in Nature Communications Biology, heeft het laboratorium van Shabek de kristalstructuur van een deel van de blauwlichtreceptor, cryptochroom-2, in modelplant Arabidopsis thaliana bepaald. Ze ontdekten dat het lichtdetecterende deel van de molecuul zijn structuur verandert wanneer het reageert met lichtdeeltjes, gaande van een enkele eenheid tot een structuur die bestaat uit vier aan elkaar gekoppelde eenheden, of tetramer.
Herschikking leidt tot gen-activatie
Shabek: "Het herschikkingsproces, dat foto-geïnduceerde oligomerisatie wordt genoemd, is zeer intrigerend omdat bepaalde elementen binnen het eiwit veranderingen ondergaan wanneer ze worden blootgesteld aan blauw licht. Onze moleculaire structuur suggereert dat deze licht-geïnduceerde veranderingen transcriptionele regelaars vrijgeven die de expressie van specifieke genen in planten controleren."
De onderzoekers waren in staat om de structuur van cryptochroom-2 uit te werken met behulp van de Advanced Light Source X-ray faciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory.
Het Shabek-laboratorium bestudeert in grote lijnen hoe planten hun omgeving van moleculair tot organisch niveau aanvoelen. Shabek: "Dit werk maakt deel uit van onze langetermijndoelstellingen om de detectiemechanismen in planten te begrijpen. We zijn geïnteresseerd in hormoonwaarnemingen en lichtsignaalwegen."
Het team loste twee jaar geleden voor het eerst de kristalstructuur van de blauwlichtreceptor op met behulp van röntgenkristallografie en biochemische benaderingen. Met de recente vooruitgang in de plantenwetenschappen en de structurele biologie, waren ze in staat om het model bij te werken en het ontbrekende stukje van de puzzel te onthullen.