Ο ρόλος του φωτός και της φωτοσύνθεσης στο μηχανισμό της RNA σίγησης στα φυτά

Abstract

Ο όρος RNA σίγηση αναφέρεται σε RNA-εξαρτώμενες διαδικασίες οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα την ειδική ως προς την αλληλουχία ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, δρώντας στο ρυθμό παραγωγής, στη διάρκεια της ημίσειας ζωής και στην αναλογία της σταθερότητας του mRNA προς τα αντίστοιχα μεταφραστικά του επίπεδα (Brodersen and Voinnet, 2006). Eίναι γνωστό ότι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν το μηχανισμό της RNA σίγησης στα φυτά ( Meza et al., 2001; Szittya et al., 2003; Yoo et al., 2004; Sos-Hegedus et al., 2005). Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση της φωτονιακής έντασης και ποιότητας στην έναρξη και διασυστηματική εξάπλωση της μετα-μεταγραφικής σίγησης που οφείλεται σε μετάγραφα κωδικής αλληλουχίας, σε διαγονιδιακά φυτά Ν. benthamiana. Τα πειραματικά δεδομένα (Kotakis et al., 2010) έδειξαν ότι ο υψηλής έντασης φωτισμός επηρεάζει θετικά την συχνότητα εμφάνισης σιγητικών φαινομένων (σήμα σίγησης μικρής κλίμακας και διασυστηματικό) σε διαγονιδιακά φυτά που υφίστανται μετα-μεταγραφική σίγηση. Τα επίπεδα των mRNA του διαγονιδίου που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, μειώνονται σε συνθήκες υψηλής έντασης φωτισμού σε μη σιγημένα μέρη των φυτών αυτών. Σε σιγημένα μέρη των ίδιων φυτών, τα επίπεδα των πληθυσμών siRNA που προέρχονται από τη σίγηση του διαγονιδίου, εμφανίζονται μετρίως αυξημένα. Επίσης τα μεταγραφικά αποθέματα ενζύμων που συμμετέχουν στο βιοχημικό μονοπάτι της σίγησης επηρεάζονται με συγκεκριμένο τρόπο. Συγκεκριμένα η RDR6 επάγεται μεταγραφικά σε μη σιγημένους ιστούς ενώ τα mRNA της DCL3 αυξάνουν τόσο σε σιγημένους όσο και σε μη σιγημένους ιστούς. Η DCL4 παρουσιάζει ένα φωτο-εξαρτώμενο πρότυπο ακόμη και σε ιστό αγρίου τύπου. Οι φαινοτυπικές με τις μοριακές παρατηρήσεις διαφαίνεται να συνδεόνται λειτουργικά βάσει πειραμάτων αντίστροφης γενετικής. Τα αποτελέσματα από την προσέγγιση αυτή μας παραπέμπουν σε ένα υποθετικό μηχανισμό. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά πιθανολογείται ότι η DCL3 ρυθμίζει την ένταση των σιγητικών γεγονότων ανάλογα της έντασης του φωτισμού και η DCL4 ίσως έχει καταλυτικό ρόλο στην υποδοχή του σήματος του φωτός, ρυθμίζοντας τη διαφορική απόκριση του μηχανισμού σίγησης σε συνθήκες υψηλού φωτισμού. Οι αλλαγές του μηχανισμού σίγησης οι οποίες χαρακτηρίζονται στις διαφορετικές συνθήκες φωτισμού ως προς την ένταση συσχετίζονται με την φωτο-προσαρμογή του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στις αντίστοιχες συνθήκες. O φωτοσυνθετικός μηχανισμός διαφοροποιείται σε ιστούς στους οποίους ο μηχανισμός της RNA σίγησης είναι ενεργός. Η δομική και λειτουργική αναπροσαρμογή των θυλακοειδών μεμβρανών χλωροπλαστών σιγημένων ιστών οδηγούν σε αυξημένα επίπεδα μη φωτοχημικής απόσβεσης (NPQ) της ενέργειας και αυξημένη PSI/PSII ενεργότητα. Τα αποθέματα της πλαστοκινόνης του χλωροπλάστη, η οποία αποτελεί έναν από τους κεντρικούς αισθητήρες ως προς την αναγωγική ομοιοστασία του κυτταροπλάσματος (Scheibe et al., 2005), εμφανίζονται σημαντικά μειωμένα σε ιστούς με σίγηση. Αυτό σηματοδοτεί μία σημαντική τροποποίηση της μεταγραφικής στοιχειομετρίας των γονιδίων που κωδικοποιούν τις αποπρωτεΐνες των ενεργών κέντρων των δύο φωτοσυστημάτων (PSI & PSII) του χλωροπλάστη (Allen and Pfannschmidt, 2000). Συνέπεια αυτών των αλλαγών είναι η επαγωγή της κυκλικής ροής ηλεκτρονίων, ενός ρυθμιστικού μηχανισμού της φωτοσύνθεσης ο οποίος ενεργοποιείται προς αύξηση της παραγωγής ΑΤP (Shikanai, 2007), όταν οι ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου το απαιτούν. Το βιοχημικό μονοπάτι του μηχανισμού της RNA σίγησης είναι ΑΤP-εξαρτώμενο (Ζamore et al., 2000). Φυτά τα οποία αναπτύσσονται σε συνθήκες υψηλής έντασης φωτισμού, έχουν μεγαλύτερα ενεργειακά (ΑΤP) αποθέματα διαθέσιμα (Walters, 2005). Οπότε είναι πιθανό ένα μέρος από αυτά τα ενεργειακά αποθέματα να σχετίζονται με τα αυξημένα γεγονότα σίγησης τα οποία παρατηρούνται σε φαινοτυπικό επίπεδο, ελέγχοντας συγχρόνως την αποτελεσματικότητα του μηχανισμού σίγησης.