Учёные создают систему для общения с растениями

Учёные создают систему для общения с растениями


"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."

Ранее мы писали о том, что ситуация на опасном замусоренном участке на Зелёной, 26 в Великом Новгороде не меняется месяцами.

Есть тема для новости по Великому Новгороду? Ждём Вас здесь!

По этой ссылке вы можете добавить наш сайт в избранные на Дзен, чтобы видеть "Питерские заметки" чаще!

Внимание! Информация на сайте представлена исключительно в ознакомительных целях, не является призывом к действию. Перед применением любых рекомендаций обязательно проконсультируйтесь со специалистом. Могут иметься противопоказания или индивидуальная непереносимость.


Свежее:

В Великом Новгороде проблеме с захламленным участком возле домов около года

Депутат Алексей Чурсинов заинтересовался проблемой участка на Зелёной, 26

Администрацией В.Новгорода подан иск против собственника участка на Зелёной

Сезон работы фонтанов завершился в Великом Новгороде

Жители В. Новгорода рассказали о нехватке освещения в парке 30 лет Октября

Новгородцы пожаловались на работу системы освещения на Колмовском мосту

В Великом Новгороде поливали тротуар в дождь

Работы по замене плитки в фонтане "Садко" пройдут в В. Новгороде

Подробности ДТП с участием пенсионерки на Мира в Великом Новгороде

В Великом Новгороде открыли Дом музыки имени С.В. Рахманинова