Små, bønneformede strukturer driver i hemmelighed livet, som vi kender det

Livet, som vi kender det, ville ikke være muligt uden kloroplaster - de små, bønneformede strukturer inde i plante- og algeceller, der udnytter solens energi til at omdanne vand og kuldioxid til essentielle sukkerarter og ilt.

hvad er den sundeste type sukker?



Selve farven på vores planet, rig på grønne nuancer, skyldes klorofyl, det lysabsorberende molekyle i kloroplaster, der er centralt i denne fotosynteseproces.

Men mens kloroplaster og fotosyntese er berømte, udfører disse organeller og deres større familie - kendt som plastider - faktisk en lang række opgaver.



Plastider findes i planter, en forskelligartet gruppe af vandlevende organismer kendt som alger, og endda nogle parasitter (såsom malariafremkaldende Plasmodium falciparum). Og de kommer i mange smagsvarianter.

  • Der er amyloplaster, farveløse plastider, der findes i rødder og knolde, såsom kartofler, der producerer og oplagrer stivelse.
  • Der er kromoplaster, som syntetiserer og lagrer carotenoider, pigmenter, der giver blomster og frugter deres farve .
  • Desuden er plastiders identitet flydende - og deres ændringer er ofte tydeligt synlige. Når skallen på en klementin går fra grøn til orange, er dette farveskift resultatet af, at kloroplaster bliver til kromoplaster.



Jo flere forskere studerer dem, jo ​​tydeligere bliver det, at kloroplaster og deres plastide søskende er ivrige multitaskere.

De laver molekyler, der er nødvendige for overlevelsen af ​​deres værter og skabninger højere oppe i fødekæden - ligesom mennesker. De spiller en afgørende rolle i at videresende signaler involveret i en plantes forsvar mod patogener og andre stressfaktorer.

Plastider er de metaboliske og sansecentre for organismer, der indeholder dem, siger Katayoon Dehesh, en molekylær biokemiker ved University of California, Riverside, og medforfatter til en oversigt over planteorganelsignalering i Årlig gennemgang af plantebiologi .



Her er et kig på, hvad vi ved om kloroplasternes roller og deres større plastidfamilie.

Hårdt på arbejde: klorofyl driver verden.Shutterstock

1: Fabrikkerne, der brænder liv

Ud over kulhydrater som sukkerarter og stivelser og pigmenter som carotenoider er plastider involveret i at producere en række andre molekyler, der er nødvendige for planternes overlevelse, såsom lipider, aminosyrer og vitaminer, som planteædende dyr også er afhængige af.

hvordan man laver morning glory -te



Disse organeller er propfulde af vigtige biosyntetiske veje, siger plantecellebiolog Tessa Burch-Smith fra Donald Danforth Plant Science Center i St. Louis. Det aspekt forsvinder bare, fordi fotosyntesen så dominerer, når vi taler om kloroplastbiologi - fordi den er så vigtig og så unik.

I modsætning til fotosyntese forekommer disse metaboliske veje ikke helt i plastiderne, selvom den indledende produktion ofte begynder i dem, forklarer Burch-Smith. Andre organeller, såsom det endoplasmatiske retikulum, opfanger senere den biosyntetiske stafet.

2: En central hub til signalering

At sende signaler er en del af at være et plastid - og der er solide evolutionære grunde til, at det kan være det. Ligesom deres energiproducerende fætre, mitokondrier , opstod plastider sandsynligvis, da en gammel bakteriecelle blev opslugt af en forløber for nutidens kerneholdige eukaryote celler.

Til støtte for denne idé, kendt som den endosymbiotiske teori, besidder plastider deres eget sæt af DNA. Og selv i dag minder plastider om cyanobakterier: encellede organismer, der skaber deres egen energi via fotosyntese.

Men i løbet af de mere end 1,5 milliarder år efter, at endosymbiose skønnes at være opstået, migrerede mange plastidgener fra plastiden til cellens kerne. Faktisk huser kernen de fleste af de gener, der bærer instruktioner til fremstilling af de tusindvis af proteiner, der findes i kloroplaster og andre plastider. Efterhånden som dette skift fandt sted, blev kommunikationen med kernen afgørende for plastidoverlevelse.

Kloroplasten er denne mærkelige blanding af to rumligt adskilte genomer, siger Jesse Woodson, en plantebiolog ved University of Arizona. For at få det til at virke, skal der krydstales: Kloroplaster skal fortælle kernen, 'Jeg har brug for lidt mere af det her eller 'Jeg har brug for en lille smule mindre af det'.

Forskere rapporterede et tidligt tegn på denne snak mellem kloroplast og kerne tilbage i 1979, mens de studerede en mutant form for byg, der voksede grønne, hvide og stribede blade.

Kloroplaster i de grønne blade var normale. Men i de farveløse blade var plastiderne mangelfulde: De kunne fotosyntetisere og kunne ikke lave proteiner (normalt har plastider deres egne proteindannende ribosomer og fremstiller nogle af deres egne proteiner).

Kloroplast eukaryote celler under mikroskopet.Shutterstock

Mærkeligt nok var disse plastider dog også mangelfulde i proteiner, der ikke er lavet i plastiden. Generne for disse proteiner er anbragt i kernen, og proteinerne laves i cellens normale ribosomer. Så hvorfor var plastiderne også mangelfulde i disse proteiner?

Svaret, foreslog forfatterne, var, at kloroplasten sender beskeder til kernen og vil instruere den - i overensstemmelse med dens behov - om at øge eller rampe ned aktiviteten af ​​gener involveret i fotosyntesen. I tilfælde af de mangelfulde plastider i de hvide blade, bryder denne kommunikationslinje sammen.

søg, hvor kniven peger på skattekortets indlæsningsskærm

Beviset for en sådan plastidkerne-signalering blev styrket i 1993, da en gruppe ledet af plantebiolog Joanne Chory ved Salk Institute for Biological Studies i La Jolla, Californien, skabte visse mutationer i sennepsplanten Arabidopsis , som ofte bruges i planteforskning. Mutanterne har en fejlagtig kommunikation mellem organeller, så kloroplaster ikke kan fortælle kernen om at slukke for aktiviteten af ​​fotosyntese-relaterede gener, når det er berettiget, såsom under stressforhold.

Denne manglende kommunikation ser ud til at have en pris - de mutante frøplanter udviklede chloroplaster langsommere end dem uden mutationen, hvilket indikerer, at chloroplast-kerne-kommunikation er vigtig under tidlig vækst.

Siden disse banebrydende undersøgelser har forskere identificeret adskillige andre plastid-kerne-signaler involveret i tilpasning til stress og i håndtering af andre situationer, såsom plantevækst og blomstring. Forskere har også opdaget, at kloroplaster også sender signaler til andre organeller, såsom mitokondrierne.

3: Styrkelse af planteforsvar

Der er flere måder, hvorpå kloroplaster gør dette. De virker lokalt og producerer forsvarsrelaterede hormoner såsom salicylsyre og jasmonsyre for at hjælpe med at afværge invaderende mikroorganismer. De kan også give advarsler om fare over længere afstande - fra en del af en plante til en anden, eller endda til en naboplante.

Immunitet har udviklet sig til at bruge kloroplaster på forskellige måder, siger Murray Grant, en molekylær plantepatolog ved University of Warwick i Storbritannien og medforfatter af 2021 planteforsvarsgennemgangen. Ikke alle kloroplaster gør det samme.

Kloroplast-til-kerne-signalering er en vigtig del af disse planteimmunprocesser - faktisk, når en plantecelle er inficeret med et patogen, kan kloroplaster ofte ses samlet omkring kernen. Når planten er truet, pumper kloroplasterne blandt andet reaktive iltarter ud: små kemikalier som brintoverilte og superoxid. Disse reaktive oxygenarter kan derefter instruere kernen til at øge produktionen af ​​proteiner, der hjælper med at bekæmpe de fremmede angribere.

Men nogle patogener har smart udtænkt metoder til at immunkompromittere planter - ved at målrette deres kloroplaster. Visse bakterier kaprer for eksempel maskineriet i kloroplaster, så de overproducerer et nøglehormon kaldet abscisinsyre.

Klorofyl: gemmer sig under mikroskopet.Shutterstock

Abscisinsyre er nyttig for planten under visse forhold: Det hjælper med at beskytte den mod frysning, tørke og andre miljømæssige stressfaktorer. Men det kan også undertrykke hormoner, der er involveret i at bekæmpe patogener, såsom salicylsyre.

Modsat pres af denne art kan betyde, at planter kan blive mere modtagelige for infektioner under stressende situationer som tørke, siger Grant.

4: Miljøsensorer

Kloroplaster er meget følsomme organeller, der kan mærke ændringer i miljøet, såsom skift i lysintensitet og temperatur. I dag undersøger forskere, hvordan kloroplaster reagerer på miljøændringer, der opstår på grund af klimaændringer. Nøglespørgsmål, siger Burch-Smith, fokuserer på, hvad der sker, når oversvømmelser og tørker øges i antal og alvorlighed.

Hvordan påvirker disse kloroplasten og dens evne til at fortsætte i fotosyntesen og i alle disse andre metaboliske veje? hun siger. Hvordan signalerer det, at resten af ​​planten skal tilpasse sig de skiftende forhold?

næste game of thrones bog 7 udgivelsesdato

At besvare disse spørgsmål er vigtigt for at forstå fremtiden for plantelivet på vores planet, siger forskerne. Dette inkluderer landbrugsmæssigt vigtige planter, bemærker Woodson. I ris, for eksempel, har forskere rapporteret, at vandmangel kan give problemer i kloroplaster hvilket igen kan begrænse plantens evne til at optage nitrogen, et afgørende næringsstof.

Lige der er der allerede et potentiale for, at den slags signaler kan have en stor indflydelse på deres evne til at vokse, siger Woodson. Der er et stort uudnyttet potentiale i at se på dette i landbrugsmæssigt vigtige afgrøder. Jeg tror, ​​det er det næste store skridt på området.

Denne artikel dukkede oprindeligt op i Vidende Magasin , en uafhængig journalistisk indsats fra Annual Reviews. Tilmeld dig nyhedsbrev .