Слоистый эффект: Карта корня кукурузы на уровне одной клетки выявила регулятор клеточного разнообразия

Новое исследование с использованием современных методов профилирования отдельных клеток показывает, как растения добавляют новые клеточные слои, помогающие им противостоять таким климатическим стрессам, как засуха или затопление. Работа сосредоточена на кукурузе — критически важной культуре во всем мире — и направлена на создание послойной карты корневой системы растения, которая опосредует стресс от засухи и поглощает питательные вещества и удобрения из почвы.

«Мы обнаружили, как кукуруза расширяет свою кору (кортекс), которая составляет большую часть корневой системы культуры. Добавление слоев к ткани коры — ключевая эволюционная особенность, создающая способы для растений переносить засуху и затопление и улучшать поглощение питательных веществ», — сказал Кеннет Бирнбаум, старший автор статьи в журнале Science.

Чтобы создать карту корня кукурузы на уровне одной клетки, исследователи сначала разделили корень с помощью ферментов, переваривающих клеточную стенку, чтобы получить отдельные свободно плавающие клетки. Новые подходы позволили им проанализировать содержание мРНК в отдельных клетках — различая молекулярные особенности, которые приводят к образованию определенных типов специализированных клеток — с использованием миниатюрных методов секвенирования отдельных клеток на основе капель.

Затем они сопоставили клетки с их местоположением в корне кукурузы, подобно сборке пазла из 10 000 деталей без подсказки. Для решения этой задачи исследователи использовали флуоресцентные красители, которые проникали в ткани корня на разную глубину, чтобы пометить и изолировать разные слои, подобно разделению слоев лука, что дало им генетические ориентиры для картирования отдельных клеток.

Новая карта корня кукурузы выявила ранее не описанную клеточную специализацию в его коре. Кора особенно важна, потому что составляет основную часть молодого корня кукурузы и имеет более 10 слоев. Клеточные подтипы коры критически важны для признаков, помогающих сельскохозяйственным растениям справляться со стрессами окружающей среды. Например:

• Внутренний слой коры — это место, где симбиотические грибы обмениваются питательными веществами с растением.
• Средние слои коры создают воздушные каналы, обеспечивающие газообмен во время затопления.
• Расширение коры по требованию может уменьшить потерю воды во время стресса от засухи.

Кроме того, группа нашла в новой карте корня ключи к тому, как кукуруза может генерировать дополнительные слои коры. В частности, ключевой ген-регулятор, известный как SHORT ROOT (SHR), функция которого схожа у разных растений, находился в интригующем положении, отличном от положения у растений всего с одним слоем коры.

У Arabidopsis (резуховидки Таля) SHR был одним из первых транскрипционных факторов, показавших способность перемещаться из клетки в клетку, позволяя внутренним типам клеток давать инструкции средним слоям для создания новой ткани. Однако у кукурузы карта отдельных клеток показала, что SHR находится в новой позиции прямо рядом с множественными слоями коры — удобной «отправной точкой» для их расширения. Исследователи отследили движение белка SHR и обнаружили, что он гипермобилен, перемещаясь не на один слой, а через несколько слоев коры.

Более того, мутации, нарушающие функцию SHR как у кукурузы, так и у её родственницы — щетинника (просо кормовое), приводили к резкому сокращению количества слоев коры. Это демонстрирует, как SHR сохранил свою первоначальную роль в расширении тканевых слоев и генерации новых клеточных идентичностей, но изменил свое местоположение, чтобы добавить новые типы клеток, которые в конечном итоге позволяют кукурузе справляться со стрессами окружающей среды.

«Определение SHR в качестве ключевого регулятора расширения коры — важный первый шаг. В перспективе настройка этих регуляторов может дать инструменты для изменения количества слоев или подтипов коры, что может улучшить способность растений противостоять климатическим стрессам, таким как засуха, или повысить поглощение азота, позволяя растениям использовать меньше удобрений или расти на бедных питательными веществами почвах», — сказал Бирнбаум.