Цветы формируются с удивительной точностью, несмотря на хаотичную активность генов

Цветы снова и снова образуют стебли, листья и лепестки в идеальном порядке. Новое исследование Корнеллского университета показывает, что даже в этом точном, узорчатом формировании растений активность генов внутри отдельных клеток гораздо более хаотична, чем кажется снаружи.

Это открытие важно для растениеводства, где учёные создают искусственные генетические переключатели для контроля роста. Понимание того, как растения справляются с генетическим «шумом», также может помочь в других областях — от синтетической биологии, где важна предсказуемость, до исследований рака, где случайная активность генов может двигать эволюцию опухоли.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

«В конечном счёте, эта работа ставит под сомнение идею, что биологическая точность требует идеального контроля. Вместо этого она показывает, что природа не устраняет случайность — она создаёт надёжные системы и процессы, которые работают, несмотря на неё», — говорит ведущий автор исследования Адриенн Родер.

Учёные изучили резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), чтобы исследовать стохастическую экспрессию генов — процесс, при котором гены могут случайным образом включаться или выключаться. Команда обнаружила, что гены, реагирующие на ауксин — гормон, направляющий рост цветка, — активировались удивительно случайным образом от клетки к клетке, даже когда гормональный сигнал был одинаковым. Несмотря на идентичные инструкции, клетки вели себя непредсказуемо.

Команда использовала флуоресцентные репортёры — молекулы, которые светятся, когда гены включаются, — чтобы отследить три ауксин-чувствительных гена, включая ген DR5. Они обнаружили, что активность DR5, хотя и запускалась ауксином, сильно варьировалась от одной клетки к другой — не из-за различий в уровне ауксина, а из-за случайных колебаний внутри самих клеток.

Этот процесс наблюдался в чашелистиках растения — прочных зелёных органах у основания бутона, которые защищают развивающийся цветок. Несмотря на то, что клетки по отдельности «шумные» и непредсказуемые, растение снова и снова производит четыре защитных чашелистика в идеальном порядке.

Хотя учёные знали, что активность генов может быть стохастической на молекулярном уровне, это исследование показывает, что даже важные гены развития, запускаемые гормоном ауксином, демонстрируют случайность в отдельных клетках.

Исследование также показало, что два других ауксин-чувствительных гена, AHP6 и DOF5.8, проявляли меньше случайности, чем DR5. Это говорит о том, что у растений могут быть встроенные механизмы для подавления шума, когда это необходимо.

Ключом, по мнению команды, является процесс «пространственного усреднения». В то время как отдельные клетки ведут себя непоследовательно, группы клеток работают вместе, чтобы сгладить шум, создавая стабильный коллективный сигнал, который растение может использовать для управления развитием.

«Организм может использовать эту случайность, когда хочет, и игнорировать её, когда не хочет. Это очень мощно», — отмечает Родер.

Исследование поднимает важные вопросы о том, как именно работает это буферирование и как можно учесть этот принцип при генной инженерии растений.