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研究人员揭示了与植物呼吸有关的分子结构

所有动植物都会呼吸,从食物中释放能量。在细胞水平上,该过程发生在线粒体中。但是动植物从食物中提取能量的方式在分子水平上存在差异。发现这些差异可能有助于农业革命。

生物学研究学院分子与细胞生物学系助理教授詹姆士·莱茨(James Letts)实验室的博士后研究员玛丽亚·马尔多纳多(Maria Maldonado)说:“植物的呼吸作用在生物学上对于生长和生物量的积累至关重要。“如果您想到的是农作物,它们的生长程度与生物量的积累以及光合作用和呼吸作用之间的相互作用有关。”

在出现在eLife中的一项研究中,Maldonado,Letts及其同事提供了植物线粒体电子传输链中涉及的最大蛋白质复合物(复合物I)的第一个原子级3D 结构。

马尔多纳多说:“对于哺乳动物或酵母菌,我们拥有整个电子传输链甚至是超级复合物的高分辨率结构,而复合物是复合物的复合物,但对于植物而言,这是一个完整的黑匣子。” “直到今天。”

弄清楚这些植物蛋白复合物的结构和功能可以帮助研究人员改善农业,甚至设计更好的农药。

莱茨说:“许多杀虫剂实际上都针对害虫的线粒体电子传输链复合物。” “因此,通过了解植物复合物的结构,我们还可以设计针对性更强的杀虫剂或杀真菌剂,这些杀虫剂或杀真菌剂将杀死真菌,但不会杀死植物,不会杀死食用植物的人。”

Maldonado和James Letts提供了植物线粒体电子传输链中涉及的最大蛋白质复合物(复合物I)的第一个原子级3D结构。图片来源:Maria Maldonado等,加州大学戴维斯分校

在黑暗中种植绿豆

为了制作食物,植物利用叶绿体进行光合作用。但是叶绿体可能会给研究线粒体电子传输链的分子细节的科学家带来问题。

马尔多纳多说:“植物有线粒体,也有叶绿体,使植物变绿,但细胞器的大小非常相似,物理性质也非常相似。”

这些相似之处使得在实验室环境中很难从叶绿体中分离线粒体。为了解决这个问题,研究人员使用了“依托化”的绿豆(Vigna radiata),这意味着它们在黑暗中生长了植物,从而阻止了叶绿体的发育并导致植物显得漂白。

莱茨说:“绿豆是一种油料种子,它们以种子油的形式储存能量,然后豆芽开始燃烧这些油,就像它的燃料一样。” 没有叶绿体,植物将无法光合作用,限制其能量流。

通过将线粒体与叶绿体分离,研究人员获得了复合物I及其亚复合物的更清晰的结构图像。

Letts说:“在从线粒体样品中纯化复合物后,我们使用单粒子冷冻电子显微镜解决了复合物的结构。”

有了这些结构,科学家们可以在原子水平上看到复合物I的构建基蛋白是如何组装的,以及与哺乳动物,酵母和细菌细胞中存在的复合物相比,这些结构及其组装有何不同。

研究人员说:“我们的结构首次向我们展示了植物特有的复杂I模块的细节。” “我们的实验还向我们暗示,这种组装中间体可能不仅是迈向完全组装的复合体I的一步,而且可能具有其自身的独立功能。”

研究人员推测,复合物I独特的模块化结构可以使植物具有作为无柄生物繁衍的灵活性。

莱茨说:“与我们不同,植物被卡在地下,因此必须适应。” “如果事情有所改变,他们就不能像我们一样站起来走开,因此他们的新陈代谢变得非常灵活。”

现在有了复合物I的结构,研究人员计划进行功能实验。进一步了解我复杂的功能可以打开的窗户和使作物植物更加节能。

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