Автор: Дарья Колмина
"Питерские заметки", 22.09.2023:
Команда ботаников из Сейнсбери Лаборатори Кембриджского университета (SLCU) стремится превратить научную фантастику в реальность, используя световое общение для взаимодействия с растениями.
В ранних лабораторных экспериментах с растением Nicotiana benthamiana было продемонстрировано, что специалисты могут активировать естественный механизм защиты растений (иммунный ответ), используя свет в качестве стимула (посредника).
Свет служит универсальным средством ежедневного человеческого общения, например, сигналы на светофорах, пешеходных переходах или статус "открыто-закрыто" магазина.
Исследовательская группа Александра Джонса использует свет как посредника в разработке инструментов, позволяющих растениям общаться с людьми и людям общаться с растениями.
Ранее команда Университета Кембриджа создала ряд биосенсоров с использованием флуоресцентного света для визуального отображения в реальном времени того, что происходит на клеточном уровне у растений, раскрывая динамику важных гормонов растений. Эти биосенсоры могут сообщить нам, как растения реагируют на окружающий их стресс, как растения "общаются" с людьми.
Их последние исследования, опубликованные в PLOS Biology, описывают новый инструмент под названием "Highlighter", который использует определенные условия света для активации экспрессии целевого гена в растениях, например, для запуска их механизмов защиты.
Идея возможности общения человека с растениями давно завораживала людей. Если бы такая способность была возможной, это могло бы существенно улучшить сельское хозяйство.
"Если бы мы могли предупредить растения о предстоящем вспышке болезни или атаке вредителей, растения могли бы активировать свои естественные механизмы защиты, чтобы предотвратить массовое повреждение", - сказал доктор Джонс. "Мы также могли бы предупредить растения о приближающихся экстремальных погодных явлениях, таких как жара или засуха, позволяя им адаптировать свой рост или сохранять воду. Это могло бы привести к более эффективным и устойчивым методам сельского хозяйства и уменьшить необходимость в химикатах."
Бо Ларсен, который разработал Highlighter, находясь в SLCU, приблизился к цели "общения" с растениями, создавая систему управления генами, которая контролируется светом (систему оптогенетики) из прокариотической системы в эукариотическую систему, созданную специально для растений.
Оптогенетика может привнести свет в биомолекулярные процессы у растений.
Для понимания клеточной активности биологи должны иметь возможность контролировать биомолекулярные процессы на клеточном уровне. Оптогенетика - это научная техника, которая использует световой стимул для активации или деактивации определенного процесса. "Световые стимулы обратимы, нетоксичны и могут быть доставлены с высоким разрешением", - сказал доктор Джонс.
Для этого ученые создают светочувствительные белки (фоторецепторы), а затем доставляют эти оптогенетические "активаторы" в клетки, которые им нужно контролировать.
Оптогенетика улучшила многие области, включая нейронауку, где биологи могут изолировать функции отдельных нейронов.
Однако применение оптогенетики к растениям оказалось сложной задачей. Это связано с тем, что у растений уже есть много фоторецепторов и им нужен широкий спектр света для роста. Переход от тьмы к свету также активирует природные фоторецепторы растений и множество клеточных систем.
Тот факт, что многие наилучшие оптогенетические активаторы используют генетические элементы из растений, означает, что они могут взаимодействовать с природными фоторецепторами, если использовать их в растениях.
Доктор Джонс, искал переключатель экспрессии гена оптогенетики, который можно было бы применить в нормальных условиях сельского хозяйства без воздействия на физиологию и развитие эндогенных растений, и обратился за советом к Дж. Кларку Лагариасу из Университета Калифорнии в Дэвисе, который является экспертом по фитохрому и цианобактериохромным световым переключателям.
Он предложил перепроектировать прокариотическую оптогенетическую систему CcaS-CcaR, которая изначально была взята из фотосинтезирующих микроорганизмов и использует соотношение зеленого (вкл.) - красного (выкл.) световых сигналов. Регулируя спектр белого света, необходимого растениям для роста, можно было бы включать или выключать гены с помощью минимально инвазивного стимула.
Однако, когда разрабатывалась система Highlighter как эукариотическая оптогенетическая система, доктор Ларсен обнаружил неожиданное поведение, связанное с синим светом.
Алекс Джонс, Инес Камачо и Ричард Кларк из Национальной физической лаборатории (NPL) обнаружили, что новая система все еще может использовать зеленый и красный свет, точно так же, как и оригинальная система. Однако спектроскопический анализ в NPL также показал признаки независимого восприятия синего света. Соавтор Роберто Хофманн заметил, что помимо области восприятия красно-зеленого, CcaS имел область с гомологией к фотосенсорам синего света, называемым фототропинами. Кажется, усилия по инженерии случайно активировали латентное восприятие синего света CcaS, предоставив альтернативный способ контроля активности CcaS-CcaR.
Когда Highlighter применяется к растениям, он использует минимально инвазивные световые сигналы для активации и деактивации и не подвержен цикличным изменениям света и тьмы в помещениях для выращивания.
В настоящее время система Highlighter неактивна при синем свете и активна в темноте, а также при белом, зеленом и красном свете. Планируется дальнейшая работа над развитием Highlighter, но команда уже продемонстрировала оптогенетический контроль над иммунитетом растений, производством пигментов и желтым флуоресцентным белком, последнее - с разрешением на клеточном уровне.
"Highlighter - это важный шаг в развитии инструментов оптогенетики в области растений, и его управление генами с высоким разрешением может быть применено для изучения широкого спектра фундаментальных вопросов биологии растений", - добавил доктор Джонс. "Растущий арсенал для растений с разнообразными оптическими свойствами также открывает увлекательные возможности для улучшения сельского хозяйства. Например, в будущем мы могли бы использовать одни условия света для активации иммунного ответа, а другие условия света для точного контроля определенных характеристик, таких как цветение или созревание."
В ранних лабораторных экспериментах с растением Nicotiana benthamiana было продемонстрировано, что специалисты могут активировать естественный механизм защиты растений (иммунный ответ), используя свет в качестве стимула (посредника).
Свет служит универсальным средством ежедневного человеческого общения, например, сигналы на светофорах, пешеходных переходах или статус "открыто-закрыто" магазина.
Исследовательская группа Александра Джонса использует свет как посредника в разработке инструментов, позволяющих растениям общаться с людьми и людям общаться с растениями.
Ранее команда Университета Кембриджа создала ряд биосенсоров с использованием флуоресцентного света для визуального отображения в реальном времени того, что происходит на клеточном уровне у растений, раскрывая динамику важных гормонов растений. Эти биосенсоры могут сообщить нам, как растения реагируют на окружающий их стресс, как растения "общаются" с людьми.
Их последние исследования, опубликованные в PLOS Biology, описывают новый инструмент под названием "Highlighter", который использует определенные условия света для активации экспрессии целевого гена в растениях, например, для запуска их механизмов защиты.
Идея возможности общения человека с растениями давно завораживала людей. Если бы такая способность была возможной, это могло бы существенно улучшить сельское хозяйство.
"Если бы мы могли предупредить растения о предстоящем вспышке болезни или атаке вредителей, растения могли бы активировать свои естественные механизмы защиты, чтобы предотвратить массовое повреждение", - сказал доктор Джонс. "Мы также могли бы предупредить растения о приближающихся экстремальных погодных явлениях, таких как жара или засуха, позволяя им адаптировать свой рост или сохранять воду. Это могло бы привести к более эффективным и устойчивым методам сельского хозяйства и уменьшить необходимость в химикатах."
Бо Ларсен, который разработал Highlighter, находясь в SLCU, приблизился к цели "общения" с растениями, создавая систему управления генами, которая контролируется светом (систему оптогенетики) из прокариотической системы в эукариотическую систему, созданную специально для растений.
Оптогенетика может привнести свет в биомолекулярные процессы у растений.
Для понимания клеточной активности биологи должны иметь возможность контролировать биомолекулярные процессы на клеточном уровне. Оптогенетика - это научная техника, которая использует световой стимул для активации или деактивации определенного процесса. "Световые стимулы обратимы, нетоксичны и могут быть доставлены с высоким разрешением", - сказал доктор Джонс.
Для этого ученые создают светочувствительные белки (фоторецепторы), а затем доставляют эти оптогенетические "активаторы" в клетки, которые им нужно контролировать.
Оптогенетика улучшила многие области, включая нейронауку, где биологи могут изолировать функции отдельных нейронов.
Однако применение оптогенетики к растениям оказалось сложной задачей. Это связано с тем, что у растений уже есть много фоторецепторов и им нужен широкий спектр света для роста. Переход от тьмы к свету также активирует природные фоторецепторы растений и множество клеточных систем.
Тот факт, что многие наилучшие оптогенетические активаторы используют генетические элементы из растений, означает, что они могут взаимодействовать с природными фоторецепторами, если использовать их в растениях.
Доктор Джонс, искал переключатель экспрессии гена оптогенетики, который можно было бы применить в нормальных условиях сельского хозяйства без воздействия на физиологию и развитие эндогенных растений, и обратился за советом к Дж. Кларку Лагариасу из Университета Калифорнии в Дэвисе, который является экспертом по фитохрому и цианобактериохромным световым переключателям.
Он предложил перепроектировать прокариотическую оптогенетическую систему CcaS-CcaR, которая изначально была взята из фотосинтезирующих микроорганизмов и использует соотношение зеленого (вкл.) - красного (выкл.) световых сигналов. Регулируя спектр белого света, необходимого растениям для роста, можно было бы включать или выключать гены с помощью минимально инвазивного стимула.
Однако, когда разрабатывалась система Highlighter как эукариотическая оптогенетическая система, доктор Ларсен обнаружил неожиданное поведение, связанное с синим светом.
Алекс Джонс, Инес Камачо и Ричард Кларк из Национальной физической лаборатории (NPL) обнаружили, что новая система все еще может использовать зеленый и красный свет, точно так же, как и оригинальная система. Однако спектроскопический анализ в NPL также показал признаки независимого восприятия синего света. Соавтор Роберто Хофманн заметил, что помимо области восприятия красно-зеленого, CcaS имел область с гомологией к фотосенсорам синего света, называемым фототропинами. Кажется, усилия по инженерии случайно активировали латентное восприятие синего света CcaS, предоставив альтернативный способ контроля активности CcaS-CcaR.
Когда Highlighter применяется к растениям, он использует минимально инвазивные световые сигналы для активации и деактивации и не подвержен цикличным изменениям света и тьмы в помещениях для выращивания.
В настоящее время система Highlighter неактивна при синем свете и активна в темноте, а также при белом, зеленом и красном свете. Планируется дальнейшая работа над развитием Highlighter, но команда уже продемонстрировала оптогенетический контроль над иммунитетом растений, производством пигментов и желтым флуоресцентным белком, последнее - с разрешением на клеточном уровне.
"Highlighter - это важный шаг в развитии инструментов оптогенетики в области растений, и его управление генами с высоким разрешением может быть применено для изучения широкого спектра фундаментальных вопросов биологии растений", - добавил доктор Джонс. "Растущий арсенал для растений с разнообразными оптическими свойствами также открывает увлекательные возможности для улучшения сельского хозяйства. Например, в будущем мы могли бы использовать одни условия света для активации иммунного ответа, а другие условия света для точного контроля определенных характеристик, таких как цветение или созревание."
Ранее мы писали о том, что собственнику выдано уже третье предписание об устранении нарушений, но ситуация на опасном замусоренном участке на Зелёной, 26 в Великом Новгороде не меняется месяцами.
Есть тема для новости по Великому Новгороду? Ждём Вас здесь!
Свежее:
Остановочный павильон оборудован на Ломоносова в В. Новгороде
Новгородцы пожаловались на содержание светофоров и дорожных знаков в городе
Работы по уборке снега в В. Новгороде ведутся круглосуточно
Утечка около дома на Коровникова, 2/55 устранена в Великом Новгороде
Новгородцы сообщили о коммунальной аварии в ЖК "Барселона"
Работы по устранению коммунальной аварии проходят на Коровникова, 4 к1
Встреча с композитором Владимиром Коровицыным прошла в Великом Новгороде
Около ямы в асфальте на Б. Санкт-Петербургской установлено ограждение
Житель Новгородской области, угнавший автомобиль таксиста, задержан
Жители В. Новгорода рассказали о появлении свалки у дома на Кочетова, 30