Warwick, United Kingdom
February 24, 2011
Research by University of Warwick's School of Life Sciences has opened up a new path to produce water efficient seeds that will be a significant tool to cope with drought resistance, and ensure global food security. The research not only provides the best map to date of the key protein that appears to be the principal gateway for water intake during seed germination - it also actually provides the right map as it appears much of the research to date was focussed on a much less relevant protein.
The research team led by Dr Lorenzo Frigerio looked at two proteins that are members of the large family of "Major Intrinsic Proteins", or MIPs, which are widespread among living organisms and are known to act as water channels governing water uptake.
The first of the types of protein they looked at PIPs - are intrinsic proteins that take the P at the start of their name from being normally found in the "plasma membrane", the outer casing of a cell. Because of their normal position on this outer covering these plasma membrane (PM) intrinsic proteins (PIPs) have received much of researcher's attention as the probable prime gatekeepers of the water transport into and out of cells.
The researchers focussed much of their attention on a second group of intrinsic proteins known as "Tonoplast Intrinsic Proteins" or TIPs as they are most usually found in an inner cell layer called the tonoplast which surrounds a vacuole in a cell (vacuoles are enclosed compartments in a cell filled with water and containing inorganic and organic molecules).
Image showing location of TIP in seed cells
Despite the fact that the TIPs appear to be able to govern water uptake the fact that they are seen as being concentrated in the tonoplast has reduced researchers interest in time as key player in water uptake. This is because the tonoplast itself is generally not considered to present a major problem for intracellular water flow, as its water permeability is thought to be much higher than that of the outer plasma membrane.
This has led to a concentration of study on PIP rather that TIP and meant that virtually nothing was known about how TIPs acted in processes such as seed maturation and germination. The University of Warwick's research team work not only resulted in the most complete plant TIP expression map produced to date - it also threw up a major surprise in that they found that TIP not only had a role to play in water management in seed maturation and germination - in fact they found that it probably plays the crucial water management role, as PIP was almost literally nowhere to be seen.
As PIP, but not TIP, are generally found at the plasma membrane of plant cells, one would expect the involvement of PIP in seed de/rehydration. Intriguingly, however, the Warwick researchers studied microarray datasets and found that - out of 13 PIPs encoded by the Arabidopsis genome - only 3 (PIP1;2, PIP1;4, PIP1;5) seemed to be detectable in their seeds. They also found that those 3 PIPs did not show up until 60 hours after germination, i.e. only after the end of the most important phases of water uptake in a germinating seed. In contrast the researchers found that very high levels of TIP3 protein appeared to be present in the plasma membrane during seed development and germination.
Dr Frigerio's working hypothesis is that TIP3, besides residing in the tonoplast, is recruited to the plasma membrane to compensate for the absence (or very low concentration) of PIP. We are now on the right path to build a real understanding of how water uptake is regulated in seed development and germination. That understanding will help researchers produce seeds to meet the challenges of Global climate change, and food security through improved drought resistance and increased water use efficiency.
Full bibliographic information
The research has just been published in a paper entitled "Mapping of Tonoplast Intrinsic Proteins in Maturing and Germinating Arabidopsis Seeds Reveals Dual Localization of Embryonic TIPs to the Tonoplast and Plasma Membrane" by Stefano Gattolin, Mathias Sorieul and Lorenzo Frigerio (all from the University of Warwick's School of Life Sciences) in the journal Molecular Plant, Volume 4, Number 1, Pages 180-189.
Ricercatori italiani individuano la proteina che potrebbe essere la chiave per ottenere semi con miglior efficienza idrica
Un progetto di ricerca alla School of Life Sciences dell’Universita’ di Warwick in Inghilterra ha aperto la via per produrre semi con migliore efficienza idrica, un passo importante per ottenere piante con migliore resistenza alla siccita’ e garantire sicurezza alimentare a livello globale. Il progetto ha messo in evidenza la proteina che sembra essere la principale responsabile per l’imbibizione durante la germinazione dei semi, e pare che molta ricerca precedente si sia concentrata su proteine meno importanti.
Il gruppo di ricerca composto dal Prof. Lorenzo Frigerio (originario di Piacenza) e dal Dr. Stefano Gattolin (di Asiago - VI) ha studiato alcune proteine appartenenti alla famiglia delle “Major Intrinsic Proteins”, o MIPs, che sono presenti in tutti gli organismi e funzionano come canali che permettono il passaggio d’acqua attraverso le membrane cellulari.
Il gruppo di MIPs piu’ studiato e’ quello delle PIPs – dove la “P” indica che la loro localizzazione e’ sulla membrana plasmatica, che delimita la superficie cellulare. Vista la loro localizzazione sulla superficie cellulare, le PIPs hanno ricevuto molta attenzione dalla comunita’ scientifica come probabili responsabili del trasporto d’acqua dentro e fuori dalle cellule.
I due ricercatori italiani si sono concentrati su un secondo gruppo di MIPs, conosciute come TIPs, che sono normalmente posizionate su di una membrana interna alla cellula, il tonoplasto, che delimita il vacuolo nelle cellule vegetali (il vacuolo e’ un compartimento cellulare pieno d’acqua e di varie molecole organiche e inorganiche).
Nonostante l’abilita’ delle TIPs nel trasportare l’acqua fosse ben nota, l’interesse a studiarle era stato limitato dalla loro localizzazione sul tonoplasto. Come le altre membrane interne, il tonoplasto non e’ mai stato considerato una barriera al flusso intracellulare d’acqua, in quanto si pensa che la sua permeabilita’ idrica sia molto maggiore che non quella della membrana plasmatica.
Per questo motivo la ricerca si era concentrata sullo studio delle PIPs, e quasi nulla invece si sapeva del ruolo delle TIPs in processi come la maturazione e la germinazione dei semi. La ricerca del gruppo all’Universita’ di Warwick non solo ha prodotto la piu’ completa mappa dell’espressione delle TIPs mai ottenuta, ma ha anche rivelato, sorprendentemente, che le TIPs hanno un ruolo nel determinare il bilancio idrico nella maturazione e germinazione dei semi, un ruolo cruciale in quanto in queste fasi non ci sono PIPs in vista.
Dal momento che le PIPs, e non le TIPs, sono normalmente localizzate sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali, ci si aspetterebbe un loro ruolo nella de/riidratazione dei semi. Stranamente pero’ l’analisi di microarrays indica che di 13 PIPs codificate dal genoma di Arabidopsis, solo 3 (PIP1;2, PIP1;4, PIP1;5) sono espresse a livelli misurabili nei semi. Oltretutto l’attivita’ di queste 3 PIPs comincia ad essere misurabile solo a 60 ore dopo la germinazione, cioe’ solo dopo la terza fase di idratazione del seme, quando i giochi sono gia’ fatti. Il progetto di ricerca del gruppo di Warwick ha dimostrato alti livelli di localizzazione sulla membrane plasmatica della proteina TIP3 sia durante la maturazione che la germinazione dei semi.
Nelle parole del Prof. Frigerio e del Dr. Gattolin, “Questi risultati indicano che le TIP3 sono localizzate anche sulla membrana plasmatica per compensare l’assenza (o presenza in quantita’ minime) delle PIPs. Siamo adesso sulla strada giusta per definire come gli scambi idrici siano regolati durante la maturazione e la germinazione dei semi. Questa informazione potra’ aiutare i ricercatori a produrre semi all’altezza delle sfide del cambiamento climatico globale e della sicurezza alimentare, con migliore resistenza alla siccita’ e una migliore capacita’ di utilizzare le risorse idriche.”
Il lavoro di ricerca e’ stato appena pubblicato con titolo ”Mapping of Tonoplast Intrinsic Proteins in Maturing and Germinating Arabidopsis Seeds Reveals Dual Localization of Embryonic TIPs to the Tonoplast and Plasma Membrane” da Stefano Gattolin, Mathias Sorieul e Lorenzo Frigerio (appartenenti alla School of Life Sciences dell’Universita’ di Warwick) nella rivista scientifica Molecular Plant, Volume 4, Numero 1, Pagine 180–189. La ricerca e’ stata finanziata dalla Comunita’ Europea e dal Leverhulme Trust.
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