Растения балансируют адаптируемость в клетках кожи и стабильность в половых клетках

Мутации движут эволюцией, но могут быть и рискованными. Новое исследование под руководством биологов растений из Калифорнийского университета в Дэвисе, опубликованное 10 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, как растения контролируют частоту мутаций в разных стволовых клетках, чтобы балансировать между адаптируемостью, безопасностью и стабильностью. Результаты важны для селекции некоторых из самых важных в мире плодовых и овощных культур, таких как картофель и бананы.

Исследователи показали, что мутации ДНК накапливались до 4.5 раз чаще в стволовых клетках, производящих кожу растения, по сравнению со стволовыми клетками, производящими яйцеклетки и сперматозоиды. Эти результаты демонстрируют, как растения отдают приоритет поддержанию стабильного генома для своего потомства, допуская при этом большую гибкость и адаптируемость в других типах клеток и, как следствие, во взрослых растениях.

"Мутации питают изменчивость, а изменчивость питает как эволюцию, так и нашу способность как селекционеров создавать лучшие культуры. Наличие многослойной архитектуры стволовых клеток позволяет растениям тонко регулировать частоту мутаций в разных клетках, чтобы оптимизировать свой успех и успех своего потомства", — сказал Лука Комаи, профессор биологии растений и старший автор исследования.

Слои сложности

В то время как люди хранят свои стволовые клетки в костном мозге, растения несут кластер стволовых клеток на кончиках своих побегов, называемый "апикальной меристемой". Эта куполообразная структура состоит примерно из 10 стволовых клеток, расположенных в три слоя (L1, L2 и L3), которые отвечают за производство всех новых тканей растения: от стеблей, листьев и корней до кожи растения, сосудистой системы и гамет (сперматозоидов и яйцеклеток).

Только стволовые клетки в слое L2 производят гаметы, что означает, что при половом размножении потомство наследует только мутации L2. Напротив, растения, размножающиеся клонально или "вегетативно" (например, через луковицы, усы или отпрыски), могут накапливать и передавать мутации из всех трех слоев.

"Многие из самых важных культур в мире — картофель, банан, виноград, клубника и маниока — могут размножаться семенами, но вегетативно выращиваются из стеблей, корней или клубней, что позволяет мутациям накапливаться со временем", — сказал первый автор Кирк Амундсон.

Разделение слоев

Чтобы понять, как мутации накапливаются в вегетативно размножаемых культурах, исследователи изучили два сорта картофеля, Desiree и Red Polenta, каждый из которых клонально размножался более 50 лет, накапливая мутации. Чтобы сравнить частоту мутаций в разных слоях апикальной меристемы, они изолировали отдельные стволовые клетки из каждого слоя и вырастили из них растения, происходящие исключительно из клеток L1, L2 или L3.

Они обнаружили, что слой L3 почти полностью отсутствовал в апикальных меристемах внутри листьев растений, так как был захвачен и заменен клетками L2. При сравнении клеток L1 и L2 выяснилось, что слои накопили разные наборы мутаций. Для обоих сортов картофеля клетки L1 накопили значительно больше мутаций по сравнению с клетками L2 (в 4.5 раза больше у Desiree и в 1.6 раза больше у Red Polenta).

Поскольку клетки L2 ответственны за производство гамет растения, эта разница предполагает, что растения отдают приоритет поддержанию геномной стабильности в своих гаметах и потомстве, что является более безопасной стратегией, поскольку большинство мутаций не являются полезными. Однако более высокая частота мутаций в слое L1 также может быть выгодна, так как клетки L1 дают начало "коже" растения.

"Растения взаимодействуют с окружающей средой через свою кожу, поэтому более высокая адаптируемость в этих клетках может позволить им быстрее адаптироваться к изменяющимся аспектам их среды, таким как патогены и травоядные", — сказал Комаи.

Предостережение для биотехнологии

Разница в мутациях в клетках L1 и L2 важна для растительной биотехнологии, поскольку генетически модифицированные растения обычно создаются путем редактирования или вставки ДНК в одну растительную клетку, которая затем выращивается в новое растение. Поскольку эти генетически модифицированные растения происходят из одной клетки одного слоя апикальной меристемы, они могут утратить полезные мутации, присутствующие в других слоях.

"С точки зрения биотехнологии, исследователи должны знать, что если вы трансформируете клональное растение, существует вероятность, что вы потеряете важные признаки, потому что ваш сорт является химерным. В будущем мы хотели бы выяснить, как мы можем контролировать этот процесс", — сказал Комаи.