Независимость пыльцевых зёрен: вопрос энергии
Пыльцевые зёрна кукурузы, риса и других злаков должны накапливать крахмал как энергетический запас для последующего использования при оплодотворении. Исследовательская группа под руководством доктора Ивана Акосты из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне (Германия) вместе с коллегами из Центра наук о растениях в Умео (Швеция), Института молекулярной физиологии растений Общества Макса Планка (Германия) и Университета Рутгерса (США) идентифицировала фитогормон ауксин как главный драйвер производства энергии во время созревания пыльцы у ячменя.
Исследование, опубликованное в Current Biology, показывает прямую связь ауксина с фертильностью пыльцы, представляя важный инструмент для улучшения селекции растений и значительный шаг к устойчивому сельскому хозяйству.
Вопрос энергии
Растения осуществляют фотосинтез для своего развития и роста. Во время фотосинтеза углекислый газ вместе с водой и энергией в форме света преобразуются в кислород, глюкозу (сахар) и крахмал. Краххмал запасается как энергетический депозит, чтобы гарантировать рост и развитие растения, когда энергия света недоступна.
Накопление крахмала также необходимо для развития и роста пыльцы злаков. Без производства крахмала пыльца не является фертильной, и растение не может размножаться. Однако как и когда именно крахмал накапливается в пыльце, оставалось неясным.
При том что все строительные блоки для производства крахмала поступают от материнского растения, его синтез остаётся вопросом энергии как лимитирующего фактора. В этом исследовании учёные идентифицировали ауксин как ключевой гормон для усиления потока энергии во время созревания пыльцы ячменя. Ауксин необходим для увеличения экспрессии генов и активности путей, генерирующих энергию в форме АТФ (аденозинтрифосфата) — молекулярной единицы «валюты» для энергетических транзакций в клетках. Таким образом, присутствие активного ауксина приводит к усилению потока путей производства энергии, что ведёт к накоплению больших количеств крахмала в пыльце.
Примечательно, что с помощью передовых молекулярно-генетических технологий команда учёных обнаружила, что пыльца ячменя способна производить ауксин самостоятельно, независимо от материнского растения. Они идентифицировали специфичный для пыльцы фермент HvYUCCA4, ответственный за последний шаг синтеза ауксина. Исследователи использовали мутантное растение male sterile genetic 38 (msg38), у которого HvYUCCA4 не функционирует, и пыльца не способна производить ауксин и запасать крахмал. В результате пыльца растений msg38 нефертильна.
С помощью этого мутанта команда получила дальнейшее понимание высоко сложной, чувствительной ко времени системы производства крахмала. Для обеспечения успешного развития пыльцы производство крахмала должно начаться в определённый момент, чтобы завершиться непосредственно перед высвобождением пыльцы из пыльника — органа, который производит и распространяет пыльцу. Ауксин является сигналом, координирующим корректное время этих событий.
Значение для сельского хозяйства
Результаты подчёркивают, как глубокое биологическое понимание сельскохозяйственных культур позволит реализовать широкие приложения для будущего сельского хозяйства. Это значительный шаг к контролю фертильности у ячменя и других культур и разработке новых гибридных линий.
«Наши открытия окажут сильное влияние как на фундаментальные исследования растений, так и на прикладную селекцию злаков», — говорит Акоста. — «Пыльца ячменя станет отличной модельной системой для изучения синтеза и сигналинга ауксина без плейотропных эффектов, обычно ассоциированных с дефицитом ауксина у других растений. Очень специфичная функция HvYUC4 в развитии пыльцы ячменя сразу же предполагает химическое ингибирование этого конкретного фермента как метод контроля мужской фертильности у зерновых культур; такая стратегия позволила бы крупномасштабное производство гибридных семян между множеством родительских пар, что остаётся несбыточной мечтой селекционера».