Naukowcy z Dartmouth węszą geny — i identyfikują nowy związek chemiczny — odpowiedzialny za ostry zapach titus arum.
Niezwykły zapach arum tytanowego, powszechnie zwanego kwiatem zwłok, ponieważ jego zapach przypomina gnijące mięso, przyciąga tłumy ciekawskich gości do szklarni na całym świecie podczas jego rzadkich kwitnień. Naukowcy intryguje także skłonność zwłok kwiatu do nagrzewania się tuż przed kwitnieniem w procesie zwanym termogenezą, rzadką cechą roślin, która nie jest dobrze poznana.
Teraz badanie prowadzone pod kierunkiem Dartmouth zagląda pod maskę zwłok kwiatu, aby odkryć podstawowe szlaki genetyczne i mechanizmy biologiczne, które napędzają produkcję ciepła i nieprzyjemnych zapachów chemikaliów podczas kwitnienia rośliny. W artykule opublikowanym 4 listopada br Nexus PNASnaukowcy pod kierownictwem G. Erica Schallera, profesora nauk biologicznych, również zidentyfikowali nowy składnik zapachu zwłok – organiczną substancję chemiczną zwaną putrescyną.
Schaller i jego współpracownicy skorzystali z kilku rozkwitów Morfi21-letni kwiat zwłok Dartmouth, mieszczący się w szklarni Life Sciences, do zbierania próbek tkanek do analizy genetycznej i chemicznej.
Arum tytanowe nie jest pojedynczym kwiatem, ale kępką małych kwiatów ukrytych w gigantycznej centralnej łodydze zwanej spadix, która może dorastać do 12 stóp wysokości i jest najbardziej uderzającą cechą wizualną rośliny. Roślina może nie kwitnąć latami – typowa przerwa wynosi od 5 do 7 lat – ale kiedy to nastąpi, kwitnie z dnia na dzień. „Zakwity są rzadkie i krótkotrwałe, więc mamy tylko małe okno, w którym możemy zbadać te zjawiska” – mówi Schaller.
Falista warstwa przypominająca płatek u podstawy spadixa, zwana spatką, rozwija się, tworząc miseczkę wokół centralnej łodygi, która jest wewnątrz ciemnoczerwona lub bordowa. Spadix zaczyna się nagrzewać, podnosząc się aż o 20 stopni Fahrenheita powyżej temperatury otoczenia, po czym wkrótce następuje uwolnienie charakterystycznego dla rośliny zapachu pochodzącego z koktajlu śmierdzących związków na bazie siarki, które przyciągają muchy i chrząszcze padlinożerne, które pomagają rozmnażać roślinę.
Analiza genetyczna i ustalenia
Kiedy Morphy zakwitł w 2016 rokubadacze zebrali dziewięć próbek tkanek w ciągu trzech nocy, zaczynając od szczytu temperatury spatki – z wargi i podstawy spatki oraz wysokiego kolca spadixa, zwanego wyrostkiem robaczkowym. Później dodali do swojej kolekcji dwie dodatkowe próbki liści.
Alveena Zulfiqar, badaczka pracująca wówczas w laboratorium Schaller w ramach wymiany, odkryła, jak wyodrębnić wysokiej jakości RNA z tkanki, co umożliwi zespołowi przeprowadzenie analiz sekwencji RNA i określenie roli, jaką geny odgrywają w podgrzewaniu rośliny i powodowaniu nieprzyjemnego zapachu.
„Dzięki temu możemy zobaczyć, jakie geny ulegają ekspresji i które są szczególnie aktywne, gdy wyrostek nagrzewa się i wydziela nieprzyjemny zapach” – mówi Schaller, biolog molekularny, który bada, w jaki sposób hormony roślinne regulują ich zdolność do wzrostu i reagowania na zmiany w organizmie ich środowisko. Dorabia także jako autor krótkich opowiadań, szczególnie horrorów: „Zwłokowy kwiat dobrze pasuje do obu tych światów” – mówi.
Termogeneza, czyli zdolność do wytwarzania ciepła, jest powszechna u zwierząt, ale rzadka u roślin. W komórkach zwierzęcych klasa białek zwana białkami rozprzęgającymi przerywa proces magazynowania energii chemicznej, uwalniając ją w postaci ciepła, mówi Schaller.
Analiza RNA ujawniła, że geny związane z roślinnymi odpowiednikami tych białek, znane jako alternatywne oksydazy, wykazywały wyższą ekspresję w tkankach wyekstrahowanych na początku kwitnienia, szczególnie w wyrostku robaczkowym. Aktywne były wówczas także geny zaangażowane w transport i metabolizm siarki.
Rola aminokwasów w zapachu zwłok kwiatu
Aby wyśledzić mechanizmy uruchamiane przez te geny, zespół wyizolował tkanki rośliny podczas kolejnego kwitnienia i współpracując ze współpracownikami z Uniwersytetu Missouri, zastosował technikę zwaną spektrometrią mas do identyfikacji i pomiaru poziomów różnych aminokwasów —cząsteczki tworzące białka —w nich.
Jak przewidywano na podstawie analizy RNA, wykryto wysoki poziom aminokwasu zawierającego siarkę kwas zwana metioniną, prekursorem związków na bazie siarki, o których wiadomo, że łatwo odparowują po podgrzaniu, wytwarzając ostry zapach. Poziom metioniny szybko spadł w tkankach pobranych kilka godzin później.
Zaskoczeniem, mówi Schaller, było wykrycie podwyższonego poziomu innego aminokwasu w tkankach pobranych od spatki, który służy jako prekursor do produkcji związku, putrescyny, substancji zapachowej występującej u martwych zwierząt, gdy zaczynają one gnić.
To badanie jest pierwszym, które odkrywa tajemnice smrodu zwłok kwiatu na poziomie molekularnym, określa procesy, za pomocą których aron tytanowy reguluje temperaturę i identyfikuje rolę odgrywaną przez różne części grona kwitnącego w tworzeniu padliny, która przyciąga zapylacze .
Morphy kryje więcej tajemnic, mówi Schaller, który obecnie koncentruje się na zrozumieniu czynników wywołujących kwitnienie i tym, czy trzymane razem okazy mogą synchronizować zakwity, aby wspólnie podnieść poziom zapachu i przyciągnąć jeszcze więcej zapylaczy.
Odniesienie: „Molekularne podstawy termogenezy i produkcji lotnych w tytanowym arum” Alveena Zulfiqar, Beenish J Azhar, Samina N Shakeel, William Thives Santos, Theresa D Barry, Dana Ozimek, Kim DeLong, Ruthie Angelovici, Kathleen M Greenham, Craig A Schenck i G. Eric Schaller, 4 listopada 2024 r., Nexus PNAS.
DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae492
Badanie zostało sfinansowane przez amerykańską National Science Foundation.
