Anzeige
When the first warm rays of springtime sunshine trigger a burst of new plant growth, it's almost as if someone flicked a switch to turn on the greenery and unleash a floral profusion of color.
Opening a window into this process, scientists at the U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory and collaborators at the University of Wisconsin, Madison, have deciphered the structure of a molecular "switch" much like the one plants use to sense light. Their findings, described online in the Proceedings of the National Academy of Sciences the week of May 31, 2010, help explain how the switch works and could be used to design new ways to modify plant growth.
Previous studies showed that the light-sensing structure, called a phytochrome, exists in two stable states. Each state is sensitive to a slightly different wavelength, or color, of light — from red to "far red," which is close to the invisible infrared end of the light spectrum. As the phytochrome absorbs photons of one wavelength or the other, it changes shape and sends signals that help plants know when to flower, produce chlorophyll, and grow.
"The phytochrome is almost like nature's light switch," said Brookhaven biophysicist Huilin Li, who is also an associate professor at Stony Brook University and a lead author on the study. "Finding out how this switch is flipped on or off by a signal as subtle as a single photon of light is fascinating."
As with all biological molecules, one key to the phytochrome's function is its structure. But scientists trying to get a molecular-level picture of a phytochrome have a formidable challenge: The phytochrome molecule is too dynamic to capture in a single image using techniques like x-ray crystallography. So, scientists have studied only the rigid and smaller pieces of the molecule, yielding detailed, but fragmented, information.
Now using additional imaging and computational techniques, the Brookhaven researchers and their collaborators have pieced together for the first time a detailed structure of a whole phytochrome.
Li and his collaborators studied a phytochrome from a common bacterium that is quite similar in biochemistry and function to those found in plants, but easier to isolate. Plant biologist Richard Vierstra of the University of Wisconsin provided the purified samples.
At Brookhaven, Li's group used two imaging techniques. First, they applied a layer of heavy metal dye to the purified phytochrome molecules to make them more visible, and viewed them using an electron microscope. This produced many two-dimensional images from a variety of angles to give the researchers a rough outline of the phytochrome map.
The scientists also froze the molecules in solution to produce another set of images that would be free of artifacts from the staining technique. For this set of images, the scientists used a cryo-electron microscope.
Using computers to average the data from each technique and then combine the information, the scientists were able to construct a three-dimensional map of the full phytochrome structure. The scientists then fitted the previously determined detailed structures of phytochrome fragments into their newly derived 3-D map to build an atomic model for the whole phytochrome.
Though the scientists knew the phytochrome was composed of two "sister" units, forming a dimer, the new structure revealed a surprisingly long twisted area of contact between the two individual units, with a good deal of flexibility at the untwisted ends. The structure supports the idea that the absorption of light somehow adjusts the strength or orientation of the contact, and through a series of conformation changes, transmits a signal down the length of the molecular interface. The scientists confirmed the proposed structural changes during photo-conversion by mutagenesis and biochemical assay.
The scientists studied only the form of the phytochrome that is sensitive to red light. Next they plan to see how the structure changes after it absorbs red light to become sensitive to "far red" light. Comparing the two structures will help the scientists test their model of how the molecule changes shape to send signals in response to light.
This research was supported by Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development program, the National Institutes of Health, the National Science Foundation, and a grant from the University of Wisconsin College of Agricultural and Life Science.
One of ten national laboratories overseen and primarily funded by the Office of Science of the U.S. Department of Energy (DOE), Brookhaven National Laboratory conducts research in the physical, biomedical, and environmental sciences, as well as in energy technologies and national security. Brookhaven Lab also builds and operates major scientific facilities available to university, industry and government researchers. Brookhaven is operated and managed for DOE's Office of Science by Brookhaven Science Associates, a limited-liability company founded by the Research Foundation of State University of New York on behalf of Stony Brook University, the largest academic user of Laboratory facilities, and Battelle, a nonprofit, applied science and technology organization.
Visit Brookhaven Lab's electronic newsroom for links, news archives, graphics, and more: http://www.bnl.gov/newsroom
Karen McNulty Walsh | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.bnl.gov
Weitere Berichte zu: Chlorophyll > electron microscope > floral profusion > Laboratory > light switch > phytochrome molecule > Plant Growth > Science TV > springtime sunshine > X-ray crystallography
Newly discovered breast milk antibodies help neutralize HIV
23.05.2012 | Duke University Medical Center
Scientists unravel role of fusion gene in prostate cancer
23.05.2012 | New York- Presbyterian Hospital/Weill Cornell Medical Center/Weill Cornell Medical College
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Ein neuer Sonderforschungsbereich (SFB) an der Philipps-Universität geht der einzigartigen Fähigkeit von Mikroorganismen auf den Grund, sich ständig an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB 987 mit dem Titel "Mikrobielle Diversität in der umweltabhängigen Signalantwort" in den kommenden vier Jahren mit voraussichtlich mehr als sieben Millionen Euro.
„Die erfolgreiche Beantragung des neuen Sonderforschungsbereichs belegt einmal mehr die exzellenten wissenschaftlichen Leistungen im Bereich der Mikrobiologie am Standort Marburg“, erklärt Professor Dr. Frank Bremmer, der Marburger Uni-Vizepräsident für Forschung. „Die Einrichtung des SFB wird Marburgs Stellung als zentraler Ort der mikrobiologischen Forschung festigen und deren internationale Sichtbarkeit weiter erhöhen.“ ...
Erosion in tropischen Küstenregionen führt zum schnellen Tod der Korallen
Die Farbigkeit, Vielfalt und Exotik der tropischen Korallenriffe fasziniert viele Menschen weltweit. Und doch sind es die Folgen unserer Zivilisation, die dieses fragile Ökosystem bedrohen durch Klimaerwärmung, Sauerstoffmangel und Ozeanversauerung. Fortschreitende Industrialisierung, Waldrodungen und intensive Landwirtschaft in küstennahen Gebieten führen zu Erosion und verändern die Lebensbedingungen im Meer dramatisch.
Jetzt ...
Anzeige
Anzeige

23.05.2012 | Energie und Elektrotechnik
Nano-Müll lässt sich nicht verbrennen
23.05.2012 | Ökologie Umwelt- Naturschutz
Nea Kameni volcano movement captured by Envisat
23.05.2012 | Geowissenschaften
Jeder Mensch ist anders - Nutzen der individualisierten Medizin
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
14th Leibniz Conference of advanced science „Sensorsysteme 2012“
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Exklusive Kontakte beim Investforum
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten