glava
predstavitev
podrocja
sodelavci
reference
obvestila

Odziv rastlin na stres:

V knjigi o suši Droughts: New Research (NOVA Publishers, 2012) smo v poglavju The Response of Plants to Drought Stress: The Role of Dehydrins, Chaperones, Proteases and Protease Inhibitors in Maintaining Cellular Protein Function, ki je prosto dostopen, opisali vlogo dehidrinov, šaperonov, proteaz in proteaznih inhibitorjev v odzivu rastlin na sušo.

Droughts

Suša, ki je vse bolj prisotna tudi v Evropi, pri rastlinah povzroča stres, ki ima velik vpliv na njihovo rast, razvoj in celotno življenje. Ne samo da v veliki meri zmanjšuje pridelek prizadetih poljščin, pomanjkanje vode vpliva tudi na biodiverziteto. Rastline so tekom evolucije razvile različne mehanizme odziva, tako na fiziološkem kot na biokemijskem nivoju, s pomočjo katerih skušajo preživeti v pogojih sušnega stresa. Razumevanje teh procesov je ključnega pomena za izboljšavo pridelave poljščin in za ohranitev rastlinskih virov. Naše trenutno znanje kaže, da obstaja več različnih mehanizmov s katerimi lahko, seveda do določenih mej, rastline tolerirajo vplive suše in se končno tudi opomorejo. Diferencialno izražanje genov je eden od zelo pomembnih mehanizmov, ki rastlinam omogoča preživetje pod spremenjenimi pogoji, vendar so končno odločujoči nivoji aktivnih proteinov. Zato je poleg analize izražanja rastlinskih genov pod različnimi rastnimi pogoji in določanja genov, katerih ravni izražanja se pod vplivom suše zvišajo ali znižajo, enako pomembno identificirati proteine, katerih nivoji se spreminjajo. Ena od posledic sprememb v izražanju genov je lahko tudi sprememba aktivnosti proteolitičnih encimov, kar vpliva na razgradnjo proteinov, za katero je znano, da je bistvena za adaptacijo na okoljske pogoje.
Naša skupina je predvsem osredotočena na peptidaze, encime, ki cepijo peptidne vezi v proteinih. Vpletenost peptidaz v modifikacije vsebnosti proteinov je lahko pozitivna za rastlinske celice takrat, ko pogoji okolja zahtevajo spremembe metaboloma ali pa odstranitev poškodovanih proteinov. Njihova aktivnost pa je lahko za rastlino tudi škodljiva, če pride do nekontrolirane proteolize, ki je posledica poškodb celičnih razdelkov pri pomanjkanju vode. Naš eksperimentalni sistem obsega dva tipa rastlin. Eden je pomembna poljščina, navadni fižol (Phaseolus vulgaris L.), ki je za prehrano najbolj pomembna stročnica, je pa relativno občutljiv na pomanjkanje vode. Za njega je značilna visoka vsebnost proteinov, ki vsebujejo esencialne aminokisline. Poleg tega je njegov glikemični indeks nizek in vsebuje zelo majhne količine maščob, nič glutena, nasičenih maščobnih kislin ali holesterola, pač pa pomembne količine antioksidantov. Vse to je koristno za zmanjševanje tveganja za različne bolezni in ima pozitivni vpliv na ljudi z oslabljenim imunskim sistemom. Zato je navadni fižol pomembna sestavina kvalitetne prehrane, z velikim potencialom za zdravo zamenjavo za meso, kar poudarja pomen učinkovitih ukrepov za vzdrževanje in izboljšavo njegovega pridelka in kvalitete. Z namenom doseči boljše razumevanje vloge različnih komponent odziva navadnega fižola na sušo smo identificirali in nato za naše raziskave izbrali več sort evropskega porekla, za katere je karakteristična različna stopnja občutljivosti na sušo.
Druga rastlina, ki jo raziskujemo, je ramonda (Ramonda serbica Panč.) iz družine Gesneriaceae. To je za severno poloblo redka cvetoča rastlina, ki je sposobna preživetja popolne izsušitve. Raste kot endemski relikt v soteskah Balkanskega polotoka. Pripada skupini rastlin, za katere je značilna edinstvena sposobnost preživetja sušnih obdobij v anabiozi, pri kateri pride do skoraj popolne dehidracije celic v njihovih vegetativnih tkivih, kot so listi. Ob rehidraciji te rastline oživijo in nadaljujejo z normalnim funkcioniranjem. Od tod tudi njihovo ime: rastline sposobne oživitve ali pa rastline, ki tolerirajo izsušitev (angl. resurrection or desiccation tolerant plants). So pomemben modelni sistem, ne samo za razumevanje molekularnih mehanizmov, ki tvorijo osnovo za celično toleranco pomanjkanja vode, temveč tudi za raziskovanje kontrole razgradnje proteinov in s tem vloge rastlinskih peptidaz in regulacije njihovih aktivnosti pod stresnimi pogoji okolja. Kot potencialno koristno primerjavo raziskujemo tudi afriško vijolico  (Saintpaulia ionantha H. Wendl.), ki pripada isti družini kot ramonda, ki pa, čeprav se lahko izredno  dolgo upira suši, končno umre in torej ni odporna na izsušitev.
Eden od naših ciljev je identificirati, izolirati in karakterizirati peptidaze, ki so vpletene v odziv navadnega fižola na sušo, zlasti tiste, za katere je značilno, da so spremembe njihovih aktivnosti pod vplivom stresa odvisne od sorte fižola. Podobno temu nas zanimajo tudi peptidaze, katerih aktivnosti se ob pomanjkanju vode pri ramondi spreminjajo na drugačen način kot pri afriški vijolici. Za tak pristop smo se odločili z namenom, da bi izbrali tiste peptidaze, ki so povezane z večjo odpornostjo na sušo v primeru fižolovih sort, ter z specifičnim odzivom rastlin, ki tolerirajo izsušitev. V našem laboratoriju smo razvili kvantitativno cimografsko metodo, s katero takšne peptidaze lahko izberemo. Le-ta omogoča določanje substratne specifičnosti, občutljivosti na specifične inhibitorje peptidaz, relativne vsebnosti oz. aktivnosti posameznih encimov in pH profilov aktivnih proteolitičnih encimov v neočiščenih listnih ekstraktih.Med prvimi smo pokazali, da so v odziv rastlin na sušo vpletene serinske peptidaze, od katerih so nekatere povezane z odpornostjo na ta stres. Naši rezultati kažejo na njihove kompleksne in verjetno specifične vloge. Do sedaj smo v listih Zorina, slovenske sorte navadnega fižola, ki je zmerno odporna na sušo, identificirali in bolj podrobno karakterizirali tri serinske endopeptidaze in pet serinskih aminopeptidaz. Njihove relativne aktivnosti so odvisne od starosti listov in sprememb pod vplivom vodnega stresa. Sicer je na splošno malo znanega o rastlinskih serinskih aminopeptidazah in še manj o njihovi vlogi v rastlinah, zato so naše raziskave zanimivo izhodišče.
V sodelovanju s Kmetijskim inštitutom Slovenije proučujemo spremembe v izražanju genov na različnih stopnjah dehidracije navadnega fižola. Z uporabo diferencialnega prikaza obratne transkripcije in verižne reakcije s polimerazo (PCR) in ob potrditvi s kvantitativnim PCR v realnem času, smo identificirali 16 transkriptov, katerih nivoji se pomembno spremenijo. Za pet od teh genov pred tem ni bilo znano, da na njihovo izražanje vpliva suša.

rastline kolaz

Izbrane objave:
  • Hieng, B., Ugrinovič, K., Šuštar-Vozlič, J. in Kidrič, M. (2004). "Different classes of proteases are involved in the response to drought of Phaseolus vulgaris L. cultivars differing in sensitivity." Journal of Plant Physiology 161(5): 519-530.
  • Kavar, T., Maras, M., Kidrič, M., Šuštar-Vozlič, J. in Meglič, V. (2008). "Identification of genes involved in the response of leaves of Phaseolus vulgaris to drought stress." Molecular Breeding 21(2): 159-172.
  • Budič, M., Kidrič, M., Meglič, V. in Cigić, B. (2009). "A quantitative technique for determining proteases and their substrate specificities and pH optima in crude enzyme extracts." Analytical Biochemistry 388(1): 56-62.