Идентифицированы пептиды, управляющие ростом пыльцевой трубки у риса
Двойное оплодотворение — сложный механизм у цветковых растений, при котором две спермиальные клетки сливаются с зародышевым мешком. Для этого пыльца, попавшая на рыльце пестика, должна гидратироваться и прорасти в пыльцевую трубку. Таким образом, прорастание и рост пыльцевой трубки критически важны для двойного оплодотворения, которое, в свою очередь, влияет на урожайность зерновых культур.
Этот процесс требует участия пептидных гормонов — факторов быстрого защелачивания (RALF), задействованных в передаче сигналов. Исследования показали, что RALF играют важную роль в росте пыльцевой трубки, однако их функция у однодольных растений, таких как рис (Oryza sativa), оставалась неизученной.
Команда исследователей из Кореи под руководством доцента Ю-Джин Кима из Университета Пусан идентифицировала и охарактеризовала два пептида RALF у риса. Работа была опубликована в Journal of Integrative Plant Biology.
Учёные проанализировали последовательности белков из базы данных Rice Genome Annotation Project и обнаружили 41 ген RALF. Среди них OsRALF17 и OsRALF19 экспрессировались в большом количестве именно в пыльце и пыльцевых трубках. Их соответствующие пептиды были изучены с использованием системы CRISPR/Cas9.
Были созданы нокаутные мутанты, у которых один или оба гена RALF не экспрессировались. Отсутствие экспрессии OsRALF17 и OsRALF19 привело к почти полной мужской стерильности риса с дефектами гидратации, прорастания пыльцы и роста трубки, что указывает на их критическую важность для мужской репродукции и производства семян. Интересно, что экзогенное применение синтетических пептидов OsRALF17 и OsRALF19 к мутантам частично восстановило их фертильность.
«Пептиды RALF могут контролировать оплодотворение у растений, действуя как естественные химические гормоны и био-контроллеры», — поясняет доктор Ким.
Чтобы проверить потенциал экзогенных OsRALF в качестве био-контроллеров, команда добавила эти пептиды в низких концентрациях к нормальным растениям риса. Это усилило рост пыльцевой трубки. При этом эффект оказался дозозависимым: в более высоких концентрациях OsRALF, наоборот, ингибировали прорастание и рост трубки. Таким образом, OsRALF могут контролировать баланс роста трубки.
Наконец, с помощью транскриптомного и протеомного анализа учёные выяснили механизм действия OsRALF17 и OsRALF19. Оба пептида связываются с белковым рецептором Oryza sativa male-gene transfer defective 2 (OsMTD2) и передают сигналы через активные формы кислорода, что способствует прорастанию пыльцевой трубки и поддержанию её целостности у риса.
Это исследование даёт новое понимание роли RALF и OsMTD2 в оплодотворении риса, что может принести пользу сельскому хозяйству. «Рис — одна из важнейших продовольственных культур, а глобальное изменение климата требует новых генетических ресурсов и сортов для улучшения производства. Поскольку создание новых сортов требует мужских стерильных линий, контроль мужской фертильности с помощью пептидов RALF или мутантных линий RALF может помочь в селекции. Кроме того, полезные генетические ресурсы риса могут быть применены к другим культурам», — заключает доктор Ким.