Исследование раскрывает механизмы биосинтеза и транспорта предшественников пыльцевой оболочки у покрытосеменных

Исследователи под руководством профессора Ци Сяоцюаня из Института ботаники Китайской академии наук систематически продемонстрировали, что биосинтез и транспорт компонентов пыльцевой оболочки — это сложные процессы, включающие компартментализированный биосинтез, скоординированный транспорт и точную регуляцию между органеллами и типами клеток.

Обзор был опубликован в журнале Nature Plants.

Ранее исследователи обнаружили, что специфичный для тапетума путь метаболизма тритерпенов регулирует формирование пыльцевой оболочки у злаков (Poaceae). Мутация, приводящая к потере функции ключевого фермента биосинтеза тритерпенов OsOSC12, вызывает генно-цитоплазматическую мужскую стерильность, чувствительную к влажности (HGMS).

Изучение механизма формирования пыльцевой оболочки позволяет не только прояснить фундаментальный научный вопрос о формировании важных репродуктивных органов, но и раскрыть генетические и молекулярные механизмы HGMS, что предоставляет ценные мужские стерильные линии и теоретическую основу для использования гетерозиса у сельскохозяйственных культур.

В этом обзоре исследователи подробно сравнили морфологию, состав и функцию пыльцевой оболочки у видов растений с разными типами опыления. Они обнаружили, что морфология и состав пыльцевой оболочки связаны со способами опыления у разных видов растений и имеют явную видовую специфичность. Белки и малые молекулы пыльцевой оболочки, включая длинные и очень длинные цепочки жирных кислот и их производные, являются её важными компонентами.

Учёные обобщили гены и кодируемые ими белки, участвующие в биосинтезе предшественников пыльцевой оболочки, и подтвердили, что они в основном вовлечены в метаболизм липидов, фенолов, тритерпенов и стеролов на средних и поздних стадиях развития пыльника. При этом метаболизм тритерпенов и стеролов сильно варьирует у разных видов, что указывает на возможную видовую специфичность.

Исследователи сравнили процессы деградации тапетума и формирования пыльцевой стенки у однодольных и двудольных на клеточном уровне, уделив особое внимание морфологическим изменениям двух обогащённых липидами органелл на поздней стадии развития пыльника.

Также были обсуждены несколько актуальных научных вопросов. Например, каков точный состав пыльцевой оболочки? Как синтезируются и транспортируются её предшественники? И как биосинтез и транспорт этих предшественников координированно регулируются в ходе развития пыльника? Эти вопросы будут решаться с помощью усовершенствованных методов, таких как масштабный анализ геномов растений, одноклеточный и пространственный мультиомикс, а также отслеживание белков и метаболитов пыльцевой оболочки.

Наконец, обсуждалось применение мутантов с дефектами пыльцевой оболочки и HGMS для использования гетерозиса в сельском хозяйстве. Линии HGMS могут использоваться как мужские стерильные материнские растения для производства гибридных семян в засушливых регионах (например, в Синьцзяне, Китай) и самоопыляться во влажных и дождливых регионах (южный Китай). Это расширит географический ареал производства семян для двухлинейной гибридной системы и позволит шире использовать гетерозис растений в растениеводстве.