Новое исследование раскрывает уникальные аспекты репродукции кукурузы
Развитие мужских репродуктивных органов у кукурузы связано со сложным набором молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК), которые потенциально обладают разнообразной активностью в регуляции генов. Об этом свидетельствует новое исследование Университета Делавэра и Стэнфордского университета.
Кроме того, работа предполагает, что начальные фазы такого развития у кукурузы и млекопитающих — двух очень разных форм жизни — имеют интригующие молекулярные параллели.
Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Команду ученых в UD возглавлял Блейк Майерс, заведующий кафедрой растениеводства и почвоведения.
В сотрудничестве с профессором Вирджинией Уолбот из Стэнфорда исследователи охарактеризовали пыльники кукурузы — мужские репродуктивные органы, — которые были тщательно отобраны по стадиям развития. Лаборатория Уолбот предоставила коллекцию мужских стерильных мутантов кукурузы с нарушенным развитием пыльников, анализ которых дал ключевые данные.
Используя материалы из Стэнфорда, исследователи применили аналитический конвейер, разработанный лабораторией Майерса. Эта работа включает очистку и секвенирование малых РНК из пыльников с последующей интеграцией данных в программный пакет.
«Мы были очень взволнованы, увидев огромное увеличение количества этих молекул, которое идеально совпало по времени с ключевыми переходами в развитии пыльника», — сказал Майерс.
Их работа расширила более ранние данные по рису, добавив временное разрешение (благодаря точно стадированным пыльникам кукурузы) и пространственное разрешение (благодаря мутантам и методам локализации).
Исследователи смогли оценить переход от ранних пыльников к зрелой пыльце. Они обнаружили, что эти РНК делятся на два класса: ранний класс и класс средней-поздней стадии.
- Ранний класс соответствует событиям, когда типы клеток организуются, определяя клеточную архитектуру пыльника.
- Поздний класс точно соответствует мейозу — процессу производства гаплоидных микроспор, которые в конечном итоге созревают в зерна пыльцы.
«Мы увидели, что увеличение количества этих двух групп малых РНК точно соответствовало этим двум фазам развития», — пояснил Майерс.
Кукуруза и млекопитающие
Работа пересекается с биологией развития млекопитающих, где хорошо изучен необычный класс малых РНК, особенно обильных и обогащенных в мужских репродуктивных органах на ранних стадиях развития.
«Эти малые РНК млекопитающих, называемые piRNA, имеют уникальный путь производства. У млекопитающих также есть два класса: ранний и средний-поздний. Нас заинтриговало наблюдение в кукурузе нескольких аналогичных черт; при этом малые РНК растений и животных, обильные в мужской репродукции, не имеют очевидного общего происхождения», — сказал Майерс. — «Мы считаем, что они развивались независимо в линиях растений и млекопитающих».
Пока неизвестно, есть ли аналогии в их функции. «Все, что мы знаем сейчас, — это то, что есть несколько необычных сходств между этими классами РНК».
Отличие от Arabidopsis
Кукуруза и рис, два вида растений, лучше всего охарактеризованные по этим новым малым РНК, относятся к однодольным. Другая крупная группа цветковых растений — двудольные — включает наиболее изученный на молекулярном уровне модельный вид Arabidopsis thaliana.
В Arabidopsis thaliana нет свидетельств существования этих двух классов малых РНК, не говоря уже об их обогащении во время развития пыльника. Это означает, что кукуруза и арабидопсис разошлись в использовании малых РНК в ходе эволюции. И тем не менее, несмотря на это эволюционное расхождение, наблюдаются признаки возможной конвергенции между злаками (кукурузой) и животными в использовании малых РНК в репродукции.
Пространственное картирование
В исследовании также описано создание пространственной карты производства этих малых РНК. Ученые объединили опыт коллег в биологии пыльника с микроскопией в Био-имиджинговом центре.
Исследователи изучили мутанты кукурузы, дефектные в одном или нескольких клеточных слоях зрелого пыльника (который содержит пять типов клеток), чтобы определить, зависит ли производство малых РНК от этих слоев.
Эти данные сочетались с методами микроскопической визуализации — гибридизацией in situ, — которые позволили зондировать наличие целевых РНК в диссектированных тканях.
Ученые смогли выявить конкретные клеточные слои, необходимые для производства двух классов малых РНК. Одно несоответствие в результатах анализа мутантов и гибридизации позволило предположить, что по крайней мере один набор малых РНК может перемещаться между клеточными слоями — результат, который можно проверить в будущих экспериментах.
Следующие шаги
Следующим шагом в исследовании является выяснение функциональных ролей этих малых РНК.
«Мы знаем, что они чрезвычайно обильны, мы знаем, что их количество резко возрастает на очень конкретных стадиях развития пыльника, и что они зависят от очень конкретных клеточных слоев в пыльнике, но мы до сих пор не знаем точно, каковы их функции. Это действительно интригующая загадка, потому что функции почти всех других малых РНК растений, по крайней мере, в общих чертах хорошо описаны», — сказал Майерс.