Voor veel planten betekenen meer takken meer vruchten. Maar wat zorgt ervoor dat een plant takken krijgt? Nieuw onderzoek van de Universiteit van Californië in Davis bewijst hoe planten het hormoon strigolacton, dat vertakking onderdrukt, afbreken om "bossiger" te worden. Inzicht in hoe strigolacton wordt gereguleerd kan grote gevolgen hebben voor veel gewassen.
Het onderzoek werd 1 augustus gepubliceerd in Nature Communications.
"Het kunnen manipuleren van strigolacton zou ook gevolgen kunnen hebben buiten de architectuur van planten, zoals voor de weerbaarheid van een plant tegen droogte en ziekteverwekkers", zegt hoofdauteur Nitzan Shabek, universitair hoofddocent aan het departement plantenbiologie van UC Davis en gespecialiseerd in biochemie en structurele biologie.
Plantenhormonen
De hormonale rol van Strigolacton werd pas in 2008 ontdekt en Nitzan omschrijft het als "de nieuweling in het blok" voor onderzoek naar plantenhormonen. Naast het reguleren van vertakkingsgedrag, bevordert strigolacton ook gunstige interacties onder de grond tussen mycorrhizaschimmels en plantenwortels en helpt het planten te reageren op stress zoals droogte en een hoog zoutgehalte.
Hoewel wetenschappers veel weten over hoe planten strigolactonen en andere hormonen aanmaken, is er maar weinig bekend over hoe planten ze afbreken. Recent onderzoek heeft gesuggereerd dat enzymen genaamd carboxylesterases, die in alle koninkrijken van het leven voorkomen, inclusief de mens, betrokken zouden kunnen zijn bij de afbraak van strigolactonen. Planten produceren meer dan 20 soorten carboxylesterases, maar slechts twee vormen in het bijzonder, CXE15 en CX20, zijn in verband gebracht met strigolacton. Dit verband was echter slechts speculatief en het team van Nitzan wilde meer weten over hoe deze afbraak werkt.
"Ons lab is geïnteresseerd in mechanismen, wat betekent dat we niet alleen willen weten dat een auto kan rijden, maar ook hoe hij rijdt; wat er in de motor gebeurt," zei Nitzan.
Enzymen CXE15 (links) en CX20 (rechts).
De motor van een enzym ontcijferen
Om te onderzoeken of CXE15 en CX20 echt betrokken zijn bij de regulatie van strigolactonen, begonnen de onderzoekers met het bouwen van 3D-modellen van de moleculaire structuur van de enzymen. Dit werk werd gestart door student-onderzoeker Linyi Yan, die de carboxylesterase-eiwitten in het lab kweekte en opzuiverde.
Dat door studenten geleide project werd al snel iets groters, zegt Nitzan.
Postdoc Malathy Palayam gebruikte röntgenkristallografie en computersimulaties om de driedimensionale atoomstructuur van de enzymen op te lossen en voerde biochemische experimenten uit om te vergelijken hoe de twee enzymen het hormoon zouden kunnen afbreken.
Deze experimenten bewees dat CXE15 veel efficiënter was in het afbreken van strigolacton dan CXE20, dat bindt aan strigolacton maar het niet effectief afbreekt. Hun 3D-modellen onthulden iets nieuws: dat een specifieke regio van CXE15 het enzym in staat stelde om van vorm te veranderen.
"CXE15 is een zeer effectief enzym dat het strigolactonmolecuul in milliseconden volledig kan vernietigen," zegt Nitzan. "Toen we inzoomden realiseerden we ons dat er een dynamisch gebied in de structuur van het enzym is dat nodig is om op deze manier te functioneren."
Een dynamisch enzym
Door de structuur van CXE15 te onderzoeken, identificeerden Nitzan en zijn medewerkers specifieke aminozuren waarmee het enzym zich dynamisch aan strigolacton kan binden. Om vervolgens te bevestigen dat deze aminozuren inderdaad verantwoordelijk waren voor de efficiëntie van het enzym bouwden ze genetisch een gemuteerde versie van het enzym met een veranderd dynamisch gebied. De gemuteerde versie bewees een verminderde capaciteit om strigolacton af te breken, zowel in vitro als toen het team het testte in Nicotiana benthamiana planten.
Nitzan zegt dat de volgende stappen zijn om te onderzoeken hoe carboxylesterase enzymen worden geproduceerd in verschillende plantenweefsels, zoals wortels en stengels.
"In deze studie waren we echt geïnteresseerd in het ophelderen van het mechanisme en de structuur van deze enzymen. Maar in toekomstige studies kunnen onderzoeken hoe ze de groei en ontwikkeling van planten beïnvloeden," zegt Nitzan.
Andere auteurs van het onderzoek zijn: Ugrappa Nagalakshmi, Amelia K. Gilio en Savithramma Dinesh-Kumar, UC Davis; David Cornu en Francois-Didier Boyer, Universite Paris-Saclay, Frankrijk.
Het werk werd ondersteund door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.
Bron: ucdavis.edu