Как растительные гормоны цитокинины управляют делением стволовых клеток
Международная группа учёных впервые раскрыла механизм, с помощью которого гормон цитокинин контролирует деление стволовых клеток в растениях. Это прорыв в понимании фундаментальных процессов роста.
Ключевая роль цитокинина
Все сложные организмы развиваются из одной клетки за счёт миллиардов делений. У растений недифференцированные стволовые клетки в зонах роста — апикальных меристемах — служат резервуаром для формирования новых стеблей, листьев, корней и цветов. Хотя центральная роль гормона цитокинина в стимуляции этого клеточного деления (митоза) была известна давно, его точный механизм действия оставался загадкой.
Открытый механизм
В исследовании, опубликованном в журнале Science 25 февраля 2021 года, учёные из Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института использовали модельное растение Arabidopsis thaliana. Они показали, что цитокинин напрямую способствует транспорту транскрипционного фактора MYB3R4 из цитоплазмы в ядро клетки. В ядре MYB3R4 активирует экспрессию ключевых генов клеточного цикла, необходимых для митоза.
«Мы знали, что гормон цитокинин важен, и наше исследование теперь объясняет механизм, с помощью которого цитокинин регулирует деление стволовых клеток — он делает это, перемещая белки в ядро, где они активируют гены, участвующие в митозе», — пояснил ведущий автор работы доктор Вейбинг Ян.
Динамика и положительная обратная связь
С помощью конфокальной микроскопии в реальном времени учёные зафиксировали динамику локализации белка MYB3R4: перед делением он находится в цитоплазме, на старте митоза быстро накапливается в ядре, а после завершения деления экспортируется обратно. Известно, что уровень эндогенного цитокинина колеблется в течение клеточного цикла, достигая пика на переходе G2/M. Новое исследование показывает, что прямым ответом на этот пик является именно ядерный транспорт MYB3R4.
Дальнейшие эксперименты выявили, что цитокинин действует как «молекулярный переключатель», запускающий петлю положительной обратной связи: он способствует ядерной локализации MYB3R4, который активирует транскрипцию генов импортинов IMPA3 и IMPA6. Эти импортины, в свою очередь, облегчают ядерный импорт самого MYB3R4. Математическое моделирование подтвердило, что такая обратная связь делает ядерный транспорт MYB3R4 более быстрым и сильным.
Практические перспективы
Исследователи смогли сконструировать вариант белка MYB3R4, который постоянно находится в ядре (путём мутации сигнала ядерного экспорта). Это привело к значительному усилению пролиферации стволовых клеток и роста меристемы, частично имитируя эффект обработки цитокинином.
«Повышенный уровень цитокинина в побеговой меристеме — один из результатов улучшения азотного питания корней. Возможность усилить клеточный ответ на цитокинин в меристеме может позволить растениям расти так, как если бы они были хорошо удобрены, даже когда уровень азота в почве неоптимален», — отметил профессор Эллиот Мейеровиц.
Это фундаментальное открытие углубляет понимание того, как делятся клетки растений, и закладывает основу для будущих работ, направленных на улучшение здоровья растений и урожайности в сельском хозяйстве.