Обнаружена скрытая «стена» хлоропласта мха

Исследователи из Университета Кумамото (Япония) впервые в мире визуализировали пептидогликановую «стену», присутствующую в хлоропластах бриофитов (мхов). До сих пор считалось, что хлоропласты зелёных растений окружены только двумя оболочками. Результаты этого исследования опровергают устоявшиеся представления о структуре хлоропластов.

Хлоропласт — это пластида (органелла), осуществляющая фотосинтез в растительных клетках. Согласно общепринятой теории, его происхождение связано с эндосимбиозом: цианобактерия, обладавшая способностью к фотосинтезу, была поглощена эукариотической клеткой более 1 миллиарда лет назад и в конечном итоге превратилась в хлоропласт. Хлоропласты, подобно своим предкам-цианобактериям, размножаются путём деления.

Цианобактерии имеют пептидогликановый слой в составе клеточной стенки, но этот слой никогда не наблюдался в хлоропластах зелёных растений. До недавнего времени считалось, что хлоропласт утратил этот слой в ходе эволюции. Однако две независимые исследовательские группы — Фрайбургского университета (Германия) в 1997 году и Университета Кумамото в 2002 и 2003 годах — показали, что у некоторых растений, у которых, как полагали, пептидогликановый слой исчез, антибиотики ингибируют деление хлоропластов. Более того, данные Университета Кумамото убедительно свидетельствовали о том, что антибиотики специфически нацелены на биосинтез пептидогликана в хлоропласте мха. Это заставило исследователей задуматься, существует ли пептидогликановый слой на самом деле, несмотря на то, что его ещё не наблюдали, и начать расследование.

Для анализа была выбрана модель — мох Physcomitrella patens. Исследователи изолировали ген мха, гомологичный бактериальному гену, кодирующему фермент D-аланин: D-аланин лигазу (Ddl). Этот фермент отвечает за соединение двух молекул D-аланина в одну молекулу D-аланил-D-аланина (D-Ala-D-Ala), единственное назначение которой в клетке — биосинтез пептидогликана. Затем с помощью техники генного таргетирования были созданы генетически модифицированные растения без этого гена.

Исследователи обнаружили, что размер хлоропластов у мутантных растений был значительно увеличен, а деление хлоропластов, по-видимому, подавлено. Затем они выращивали мутантные растения на среде, дополненной D-Ala-D-Ala, что привело к восстановлению деления хлоропластов. Это указывало на то, что мох использует пептидогликан для деления хлоропластов.

Кроме того, исследователи присоединили флуоресцентную молекулу к D-Ala-D-Ala и наблюдали результаты с помощью флуоресцентного микроскопа. Флуоресцирующий D-Ala-D-Ala, окружающий хлоропласт, предоставил визуальное доказательство существования пептидогликановой «стены» вокруг хлоропласта.

По мнению учёных, «стеновая» структура хлоропласта мха тесно связана как с делением, так и с морфологией хлоропласта. Считалось, что «стеновая» структура хлоропластов у зелёных растений была утрачена на ранних этапах эндосимбиоза. Геномные данные показывают, что эта пептидогликановая стенка действительно исчезла у покрытосеменных растений, но впервые показано, что она сохранилась у мха. Подобно мхам, базальные наземные растения также могут использовать пептидогликан для деления хлоропластов. Это открытие переписывает учебники по фундаментальной структуре хлоропласта.

Результаты исследования опубликованы в журнале The Plant Cell 20 июня 2016 года.