ให้ความรู้เกี่ยวกับพืช

นักวิทยาศาสตร์ด้านพืชทั่วโลกกำลังทำงานเกี่ยวกับกลยุทธ์ต่างๆ มากมายเพื่อเพิ่มผลผลิตพืชผลอย่างยั่งยืน การเพิ่มประสิทธิภาพในการขนส่งน้ำตาล โปรตีน และสารอาหารอินทรีย์อื่นๆ ของพืชระหว่างส่วนต่างๆ ของพืชเป็นหนึ่งในแนวทางที่อาจนำไปสู่การปฏิวัติเขียวครั้งต่อไป การมีความเข้าใจในปัจจัยที่ส่งผลต่อการขนส่งในพื้นที่และระยะทางไกลภายในโรงงานสามารถช่วยให้นักเทคโนโลยีชีวภาพด้านพืชสามารถขยายพันธุ์พืชที่ให้ผลผลิตมากขึ้นในอนาคต ในท้ายที่สุด อาจเป็นไปได้ที่จะขนส่งสารอาหารอินทรีย์โดยตรงไปยังส่วนเฉพาะของพืชที่เก็บเกี่ยว (เมล็ด ผลไม้ และหัวเก็บ) ทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Yrjö Helariutta จาก Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) และทีมของ Dr Emmanuelle Bayer จาก University of Bordeaux/CNRS ได้ทำให้เป้าหมายนี้เข้าใกล้ไปอีกขั้นด้วยการค้นพบ Phloem Unloading Modulator (PLM) ซึ่งเป็นยีนใหม่ที่ส่งผลต่อการค้าขายสารอาหารโดย การเปลี่ยนแปลงช่องทางที่เชื่อมต่อเซลล์พืชข้างเคียงที่เรียกว่า plasmodesmata ช่องที่เรียงรายด้วยเมมเบรนระดับนาโนเหล่านี้เคลื่อนผ่านกำแพงกั้นเซลล์เพื่อเชื่อมโยงเซลล์พืชเข้าด้วยกันและช่วยให้สามารถถ่ายโอนสารสำคัญได้ (ดูหมายเหตุ) การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ในNature Plantsแสดงให้เห็นว่า พืชกลายพันธุ์ Arabidopsis thalianaที่ขาดยีน PLM ถูกพบว่าปล่อยสารมากขึ้นจากต้นฟลอก (เนื้อเยื่อพิเศษสำหรับการขนส่งทางไกล) ที่ปลายราก การใช้โปรตีนเรืองแสงเป็นพร็อกซีสำหรับโมเลกุลขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นได้ว่ายีน PLM มีผลในการควบคุมปริมาณของโฟลเอมอย่างชัดเจน เพื่อหาคำตอบว่ายีนทำสิ่งนี้ได้อย่างไร พวกเขาดูสิ่งที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของเซลล์ต่างๆ ในรากของต้นอ่อน ดร. Dawei Yan ผู้เขียนหลักจาก Sainsbury Laboratory ของ Cambridge อธิบายว่า "เราพบว่าการกลายพันธุ์ของ PLM ช่วยบรรเทาปัญหาคอขวดในการค้ามนุษย์ ซึ่งก่อนหน้านี้ช่วยลดการเคลื่อนตัวของสารอาหารจากระบบหลอดเลือดไปยังเนื้อเยื่อที่เติบโตอย่างรวดเร็วในราก PLM ทำหน้าที่เฉพาะที่ส่วนต่อประสานระหว่าง phloem pole pericycle (PPP) และเซลล์ภายในผิวหนัง ซึ่งเป็นส่วนต่อประสานที่สำคัญสำหรับการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีของสารหลังจากการขนถ่าย การกำจัดกิจกรรมของยีน PLM สามารถช่วยให้พืชสามารถขนส่งสารอาหารไปยังที่ที่ต้องการได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น" ผลจากการขนถ่ายที่เพิ่มขึ้น รากของพืชกลายพันธุ์จึงเติบโตเร็วขึ้นและยาวขึ้น การตรวจสอบระดับโมเลกุลและพันธุกรรมเพิ่มเติมยังเปิดเผยว่า PLM มีส่วนเกี่ยวข้องในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ sphingolipids ซึ่งเป็นไขมันประเภทหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาพืชและการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่ทีมของ Dr Bayer ได้แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ว่าเยื่อหุ้มของ plasmodesmata อุดมไปด้วย sphingolipids แต่นี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่เชื่อมโยง sphingolipids กับการทำงานของ plasmodesmata ขั้นตอนต่อไปคือการพิจารณาว่า PLM ส่งผลต่อการนำระหว่างเซลล์กับเซลล์อย่างไร ทีมพิจารณาว่า PLM มีอิทธิพลต่อความหนาแน่นของพลาสโมเดสมาตาหรือไม่ มันไม่ใช่ ทีมงานยังยืนยันว่า PLM ไม่ได้แก้ไขการสะสมของแคลโลส ซึ่งเป็นตัวควบคุมการซึมผ่านของพลาสโมเดสมาตาที่รู้จักกันดีเท่านั้น Andrea Paterlini ผู้เขียนคนที่สองและนักศึกษาปริญญาเอกในกลุ่ม Helariutta เดินทางไปฝรั่งเศสเพื่อทำงานร่วมกับ Dr Bayer เพื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดว่า PLM ส่งผลกระทบต่อโครงสร้าง plasmodesmata หรือไม่ พวกเขาใช้การตรวจเอกซเรย์อิเล็กตรอนเพื่อสร้างแผนที่ 3 มิติของช่องในระดับนาโนเมตร Paterlini กล่าวว่า: "สิ่งนี้ทำให้เราสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่ดีของสถาปัตยกรรมพลาสโมเดสมาลได้ เราพบสัดส่วนของพลาสโมเดสมาตาที่เรียบง่ายและแตกแขนงในสัดส่วนที่เท่ากันทั้งในพืชกลายพันธุ์ plm และ พืช ป่า อย่างไรก็ตาม พืชที่ไม่มี PLM จะมีพลาสโมเดสมาตาประเภท I เท่านั้น (ดูหมายเหตุ) มากกว่าทั้งสองแบบที่พบได้ทั่วไป "แบบจำลองก่อนหน้านี้สันนิษฐานว่าขนาดของปลอกหุ้มไซโตพลาสซึม (ระยะห่างระหว่างเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและเยื่อหุ้มพลาสมาในพลาสโมเดสมาตา) จะสัมพันธ์เชิงบวกกับความสามารถในการขนส่ง ผลลัพธ์ของเอกสารของเราท้าทายสิ่งนี้และแสดงว่าพลาสโมเดสมาตาประเภทที่ 1 ซึ่งมีขนาดแคบมาก ปลอกไซโตพลาสซึมนำไฟฟ้าได้ดีกว่าพลาสโมเดสมาตาประเภท II ซึ่งมีปลอกไซโตพลาสซึมแบบเปิด" ศาสตราจารย์ Helariutta กล่าวว่า "ความสัมพันธ์ระหว่างการทำงานของยีน (การสังเคราะห์ไขมันในเลือด) และการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างพื้นฐานของ plasmodesmata น่าจะเป็นผลมาจากความบกพร่องในการจัดระเบียบของ tethers ที่แยกพลาสมาเมมเบรนออกจาก endoplasmic reticulum ภายใน plasmodesmata: ผลลัพธ์นี้ ในพลาสโมเดสมาตาส่วนใหญ่ไม่มีแขนไซโตพลาสซึมที่มองเห็นได้ในพืชที่มียีน PLM กลายพันธุ์ "ยังมีคำถามใหม่ ๆ มากมายที่ต้องตอบสำหรับการวิจัยในอนาคต เช่น พลาสโมเดสมาตาที่ไม่มีปลอกหุ้มไซโตพลาสซึมมีอัตราการแพร่กระจายที่สูงขึ้นได้อย่างไร และเมแทบอลิซึมของสฟิงโกลิพิดเกี่ยวข้องทางกลไกกับการทำงานของ PLM อย่างไร "อย่างไรก็ตาม การวิจัยครั้งนี้ได้พัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับปัจจัยที่ควบคุมการขนส่งธาตุอาหารของพืช มีความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาพืชผลโดยเพิ่มประสิทธิภาพของธาตุอาหาร ทั้งเพื่อลดการใช้ปุ๋ยและเพื่อเพิ่มผลผลิตของพืช ในที่สุดเราอาจจะทำได้ เพื่อใช้ข้อมูลเกี่ยวกับการขนส่งสารอาหารนี้เพื่อแบ่งสารอาหารระหว่างอวัยวะต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และนำสารอาหารจากลำต้นและใบไปยังผลไม้และอวัยวะที่เก็บได้" พื้นหลัง Plasmodesmata: ช่องทางการขนส่งระหว่างเซลล์ถึงเซลล์ พลาสโมเดสมาตาเป็นช่องทางที่เรียงรายด้วยเมมเบรนระดับนาโนที่เคลื่อนที่ผ่านผนังเซลล์เพื่อเชื่อมโยงเซลล์พืชเข้าด้วยกันและสารสำคัญสามารถเดินทางผ่านได้ การขนส่งสารอาหารอินทรีย์แบบเซลล์ต่อเซลล์และการส่งสัญญาณผ่านพลาสโมเดสมาตามีบทบาทสำคัญในการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืช ตลอดจนต้านทานโรคและความเครียด โครงสร้าง พลาสโมเดสมาตาปฐมภูมิที่เกิดขึ้นในเซลล์ใหม่มีโครงสร้างช่องทางเดียวที่แคบ ในขณะที่พลาสโมเดสมาตาทุติยภูมิที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อที่มีอายุมากกว่ามีแนวโน้มที่จะมีโครงสร้างที่แตกกิ่งก้านสาขากว้างกว่า อย่างไรก็ตาม พลาสโมเดสมาตาไม่ใช่รูธรรมดา แต่เป็นโครงสร้างแบบไดนามิกที่ควบคุมว่าโมเลกุลใดที่สามารถหรือไม่สามารถผ่านระหว่างเซลล์ตามหลักการแยกขนาดได้ พวกมันถูกบุด้วยพลาสมาเมมเบรน (PM) และมีเยื่อหุ้มท่อเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER) ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มทั้งสองนี้เรียกว่าปลอกไซโตพลาสซึม โมเดลก่อนหน้านี้ตั้งสมมติฐานว่ามีการเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างระยะห่างระหว่าง ER และ PM และความสามารถในการซึมผ่าน โดยช่องว่างขนาดใหญ่จะนำไฟฟ้าได้มากกว่า