Медь заставляет семенные коробочки взрываться

Растения выработали множество стратегий для широкого распространения семян. Некоторые рассеивают семена по ветру, другие привлекают животных и птиц плодами с семенами. А у некоторых редких растений, таких как сердечник волосистый (Cardamine hirsuta), есть взрывающиеся семенные коробочки, разбрасывающие семена во все стороны. В новом исследовании, опубликованном в PNAS, Анжела Хэй и коллеги из Института селекции растений Общества Макса Планка (Кёльн, Германия) выяснили, какие гены контролируют механическую структуру этих взрывающихся коробочек.

Их результаты показывают, что ключевой микроэлемент — медь — необходим для формирования точного рисунка лигнина в стенках коробочки. Лигнин — это распространённый растительный полимер, компонент лигноцеллюлозы, основного структурного материала растений. Он присутствует в клеточных стенках и отвечает за жёсткость древесины.

Семенная коробочка C. hirsuta состоит из двух длинных створок. Когда семена готовы к распространению, эти створки быстро отделяются и скручиваются, выбрасывая семена на большое расстояние. Секрет «взрыва» — в уникальной механической конструкции: три жёстких стержня из лигнина соединены гибкими «шарнирами». Эти шарниры критически важны для взрывного высвобождения потенциальной энергии, накопленной в коробочке. Чтобы создать такую структуру, лигнин должен откладываться по точному рисунку в единственном слое клеток коробочки — эндокарпе b.

Как объясняет Хэй, «механическая конструкция, позволяющая коробочкам взрываться, зависит от того, что лигнин откладывается по точному рисунку в этом единственном слое клеток. Мы мало знаем о том, что контролирует этот рисунок, поэтому мы решили найти гены, управляющие этим процессом. Мы обнаружили три гена, необходимых для лигнификации клеточной стенки во взрывающихся коробочках. Эти гены кодируют ферменты — лакказы, которые полимеризуют лигнин. Когда у растений C. hirsuta отсутствуют все три гена лакказ, у них также нет лигнина в этом специфическом типе клеток».

Исследователи также обнаружили ещё один ген, SPL7, необходимый для лигнификации коробочек C. hirsuta. Этот ген кодирует белок, регулирующий уровень меди в растениях. Ген SPL7 был найден при скрининге мутантов. У мутантных растений, лишённых этого гена, также отсутствовал лигнин в клеточных стенках эндокарпа b. Без лигнина они не могли эффективно рассеивать семена. Этот эффект устранялся, когда мутанты SPL7 выращивали в почве с высоким содержанием меди, но не в почве с низким её содержанием. Таким образом, SPL7 помогает растениям C. hirsuta получить достаточно меди для формирования полноценных взрывающихся коробочек, особенно при дефиците меди в почве.

Но как медь влияет на механическую структуру этих коробочек?

Интересно, что лакказы — это медь-связывающие белки, и их функция зависит от меди. «Связующее звено между этими двумя открытиями — это медь, — говорит Хэй. — Растениям нужен SPL7, чтобы справляться с недостатком меди в почве, а лакказам для ферментативной активности необходимо связывать медь. Поскольку лигнин критически важен для механики взрывающихся коробочек, а для этой лигнификации требуются зависимые от меди лакказы, это делает распространение семян зависимым от контроля уровня меди с помощью SPL7».

Эти результаты дают важное новое понимание генов и клеточных процессов, создающих эти необычные взрывающиеся структуры. Они также проливают свет на роль меди в этом процессе и на сам процесс лигнификации, который остаётся малоизученным. Одна из причин — в полимеризации лигнина в клеточных стенках участвуют большие семейства генов. Выяснение роли каждого гена — сложная задача, но её можно решить с помощью подходов, описанных в этом исследовании, таких как редактирование генов CRISPR/Cas9 и условная экспрессия генов.

Дефицит меди в почве по-разному влияет на растения и деревья, и с ним борются с помощью медных удобрений. Это особенно серьёзная проблема для лесного хозяйства, так как низкий уровень меди может приводить к ослаблению деревьев из-за плохой лигнификации. «Наша работа устанавливает молекулярную связь между медью и лигнином через SPL7 и лакказы. Эти знания могут вдохновить на новые подходы к устойчивому управлению лесами», — объясняет Хэй.

Эти открытия также могут быть важны для более устойчивого производства биотоплива в будущем. Лигнифицированные клеточные стенки создают проблему для производства биотоплива, так как устойчивы к разложению и требуют дорогих и энергоёмких предварительных обработок. Хэй отмечает: «Наша работа идентифицирует три лакказы, контролирующие лигнификацию в специфическом типе клеток. Понимание генетического контроля полимеризации лигнина в разных типах клеток и у разных видов растений может открыть новые горизонты в биоэнергетике на основе инженерии клеточных стенок».