Пестик ведёт пыльцу в танце жизни и смерти
Весной миллионы раз разыгрывается драматичный биомолекулярный танец, где исполнителем является цветок. В этом танце женский пестик ведёт, мужские пыльцевые трубки следуют, а в финале трубки взрываются и погибают. Новая статья в Current Biology описывает генетически предписанные па пыльцевой трубки и то, как их экспрессия обрекает трубку на самопожертвование, позволяя цветковым растениям размножаться.
В лаборатории Брауновского университета Марк Джонсон, адъюнкт-профессор биологии, изучает истинную сложность межклеточных коммуникаций, которые с исключительной точностью управляют этим процессом.
Заставить мужскую клетку слушать
В новой работе группа Джонсона под руководством аспиранта Александра Лейдона попыталась выяснить, что заставляет мужские пыльцевые трубки остановить рост и лопнуть, достигнув семязачатка. Учёные начали понимать команды женской стороны, но не способность мужской стороны слушать.
Из предыдущего исследования было известно, что экспрессия генов в пыльцевых трубках, выросших в пестике, сильно отличалась от таковой в трубках, выращенных в лаборатории. Первым шагом Лейдона стало выяснить, какие регуляторы экспрессии генов (транскрипционные факторы) активны в пыльцевых трубках из пестика, но не в лабораторных. Сначала они нашли один под названием MYB120, а с помощью геномного анализа — два близких ассоциированных фактора: MYB101 и MYB97.
Пометив их флуоресцентными белками, они обнаружили под микроскопом, что эти транскрипционные факторы накапливаются в ядрах пыльцевых трубок по мере их роста в пестике.
Затем Лейдон решил посмотреть, что происходит, когда их нет. Он вырастил нормальные растения арабидопсиса, растения с мутацией, отключающей только один из факторов, и растения, у которых были отключены гены всех трёх факторов. Затем он взял пыльцу каждого типа для опыления нормальных цветков. Пыльцевые трубки от всех трёх растений успешно достигали семязачатков, но в 70% случаев при встрече с семязачатком трубки от тройных мутантов не останавливали рост и не лопались. Вместо этого они продолжали расти, закручиваться и оставались целыми.
Затем команда искала гены, экспрессируемые в пыльцевой трубке, которые регулируются факторами MYB. В трубках, выросших в пестиках, они нашли 11 генов, экспрессия которых была резко снижена в мутантных трубках по сравнению с нормальными.
Наконец, они изучили функцию этих генов. Они кодируют различные задачи, но один, ответственный за секрецию белка тионина, особенно привлёк внимание Лейдона.
«Для тионина я особенно заинтересовался, потому что их описывают как способные, по сути, взрывать другие клетки», — сказал Лейдон. Другими словами, экспрессия этого гена может запускать механизм самоуничтожения пыльцевой трубки.
«Это не просто диалог, а диалог, заканчивающийся смертью. Это действительно хорошо контролируемая ситуация клеточной смерти», — отметил Лейдон.
Применение в сельском хозяйстве?
Будущая работа, по словам Джонсона, будет включать более полное выявление соответствующих генов и определение, является ли тионин тем самым «взрывателем» пыльцевой трубки, на который указывают гены и их MYB-зависимая экспрессия.
Эта работа также может иметь значение за пределами фундаментальной науки.
Агрономы иногда пытаются скрещивать виды, например, ячмень и пшеницу, в надежде создать новые культуры. Это возможно, если виды близкородственны и имеют одинаковое число хромосом, но оплодотворение часто терпит неудачу на этапе разрыва пыльцевой трубки и высвобождения спермиев.
«Понимание этой молекулярной взаимосвязи на всех различных уровнях и стадиях будет полезно для того, чтобы либо сконструировать этот процесс, либо внести генетическое разнообразие, которое позволит репродуктивному процессу быть эффективным даже в сложных условиях окружающей среды», — заключил Джонсон.