Обнаружена регуляция развития важных компонентов флоэмы растений

Зрелые ситовидные элементы — это специализированные клетки флоэмы, проводящей ткани растений для транспорта углеводов и сигнальных молекул. Они вытянуты, соединены концами в ситовидные трубки и образуют сеть по всему растению.

"Ситовидные элементы — очень особые клетки, играющие важную роль в секвестрации углерода, однако до сих пор об их дифференцировке было известно очень мало", — говорит профессор Юкя Хелариутта из Института биотехнологии Хельсинкского университета. — "Мы определили несколько генов, регулирующих этот процесс, и охарактеризовали его с беспрецедентной точностью".

Результаты совместной работы лабораторий профессора Юкя Хелариутты и главного исследователя Эйи Йокитало опубликованы в двух статьях в журналах Science и Nature Communications.

Запрограммированная деградация ядра при развитии флоэмы

В ходе нормального развития ситовидные элементы теряют своё ядро. В первой работе команда описала, как это происходит, и определила несколько генетических факторов, контролирующих процесс. Они использовали последовательную сканирующую электронную микроскопию срезов для создания 3D-модели развивающихся клеток. Ядро сначала деформируется из гладкой сферы в сморщенную структуру, затем сжимается, и его содержимое высвобождается в цитоплазму для деградации. Это сопровождается деградацией некоторых органелл и изменением формы других.

Исследователи идентифицировали два транскрипционных фактора, NAC045 и NAC086, которые экспрессируются в клетках ситовидных элементов перед утратой ядра. Растения, лишённые обоих генов, имеют дефектное формирование ситовидных элементов и гибнут на стадии проростка. В двойном мутанте процесс деградации ядра не запускается. Экспрессия NAC45 в клетках, где его обычно нет, показала, что этого фактора достаточно для инициации деградации ядра и цитоплазмы.

Также была идентифицирована группа генов NEN1-4, действующих ниже по каскаду от NAC045 и NAC086. У мутантов по этим генам процесс деградации ядра начинается, но не завершается должным образом.

Контроль транспорта холина критичен для флоэмы

Генетический скрининг выявил ген CHER1, кодирующий транспортёр холина, как ключевой игрок в развитии флоэмы. У мутантных растений флуоресцентный маркер, транспортируемый по флоэме, не разгружался в кончике корня, что указывало на дефекты транспорта. Дальнейший анализ показал, что тяжи флоэмы у мутанта cher1 не являются непрерывными. Также у него наблюдались короткие корни, аномальные корневые волоски и изменения в расположении водопроводящей ткани — ксилемы.

Белок CHER1 накапливается на одном конце клеток ситовидных элементов, в центре формирующейся ситовидной пластинки. Исследование показало, что у мутантных растений ситовидные пластинки меньше, с меньшим количеством структурно изменённых пор, что препятствует дальнему транспорту по флоэме.

"Контроль транспорта холина необходим для формирования непрерывно соединённой флоэмы с правильными ситовидными пластинками, однако точные клеточные процессы ещё предстоит раскрыть", — отмечает Хелариутта.