Исследование выявило гены, контролирующие стволовые клетки растений, и раскрыло происхождение бифштексных томатов
Учёные из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL) определили набор генов, контролирующих производство стволовых клеток у томата. Мутации в этих генах объясняют происхождение гигантских бифштексных помидоров. Исследование, опубликованное в Nature Genetics, также показывает, как селекционеры могут тонко настраивать размер плода у практически любой плодовой культуры.
Дикая форма томата даёт крошечные плоды размером с ягоду. Однако среди первых томатов, завезённых в Европу из Мексики конкистадором Эрнаном Кортесом в начале XVI века, уже были огромные «бифштексные» сорта. Хотя этот сорт давно считался природной аномалией, только теперь стало известно, как он возник.
Секрет бифштексного томата связан с количеством стволовых клеток в точке роста растения — меристеме. Команда проследила аномальное увеличение числа стволовых клеток до естественной мутации, возникшей сотни лет назад в гене CLAVATA3. Отбор этого редкого мутанта растениеводами и привёл к появлению бифштексных томатов.
У растений, как и у животных, стволовые клетки дают начало разнообразию специализированных клеток, составляющих все ткани и органы. Однако избыток стволовых клеток может быть проблемой. У растений он приводит к несбалансированному и нерегулярному росту.
Тонкий баланс производства стволовых клеток у растений контролируется генами с противоположной активностью:
- Ген WUSCHEL способствует образованию стволовых клеток.
- Гены семейства CLAVATA подавляют их производство.
Некоторые гены CLAVATA кодируют рецепторные белки на поверхности клеток («замки»), а другие — белки, которые к ним присоединяются («ключи»). Когда «ключ» CLAVATA входит в «замок», внутрь клетки посылается сигнал, который говорит WUSCHEL замедлить работу, предотвращая создание слишком большого числа стволовых клеток.
В новых экспериментах команда изучила ранее неизвестные мутантные растения томата, у трёх из которых были повреждены гены, кодирующие ферменты арабинозилтрансферазы (AT). Эти ферменты добавляют молекулы сахара арабинозы к белку CLAVATA3 (одному из «ключей»). Оказалось, что эти сахара необходимы, чтобы «ключ» подошёл к «замку».
Ключевое открытие: изменение количества сахаров, присоединённых к «ключу» CLAVATA3, меняет количество стволовых клеток.
- Три сахара — нормальный рост.
- Один или более сахаров отсутствует — «ключ» плохо подходит к «замку». Сигнал WUSCHEL на создание новых стволовых клеток не сопровождается «стоп-сигналом». Происходит аномальный рост, и плод становится огромным.
Изучив оригинальный сорт бифштексного томата, учёные обнаружили, что его секрет ещё проще: в меристеме производится недостаточно самого «ключа» CLAVATA3. Результат тот же — слишком много стволовых клеток и гигантские плоды.
Поскольку путь CLAVATA высоко консервативен в эволюции и существует у всех растений, исследование показывает континуум возможностей роста. Регулируя количество сахаров на «ключах» CLAVATA или используя другие мутации в этом пути, можно тонко настраивать рост, что позволит селекционерам кастомизировать размер плода.