Растения и фертильность: как гормоны перемещаются

Исследователи из Токийского технологического института идентифицировали транспортный белок, играющий ключевую роль в ряде процессов, связанных с фертильностью растений и, возможно, старением.

Минимальные количества гормонов запускают множество процессов, необходимых для выживания, роста и размножения растений — все это важные факторы урожайности. Ключевым является доставка нужных гормонов в нужное место. Недавние исследования выявили ряд белков, транспортирующих гормоны через плазматическую мембрану в клетку и из нее, что помогло понять некоторые ключевые процессы. Теперь исследователи из Токийского технологического института, Университета Тохоку и Центра устойчивых ресурсов RIKEN идентифицировали белок, центральный для ряда процессов, контролирующих фертильность у небольшого растения, похожего на горчицу, — Arabidopsis.

Хироюки Ота и его команда использовали анализ генной сети, чтобы выделить гены, реагирующие на жасмоновую кислоту (JA) — гормон, связанный с фертильностью, старением и защитными реакциями, для которого до сих пор не был идентифицирован транспортный белок. Они заметили тесную коэкспрессию между геном, кодирующим белок GTR1/NPF2.10, и генами биосинтеза JA. Дальнейшие исследования показали, что обработка JA увеличивает экспрессию GTR1 у проростков, подтверждая связь. Развитие гормонов и тычинок было нарушено у растений с мутациями, связанными с GTR1, а их листья, казалось, бурели и старели в присутствии JA, что позволяет предположить, что GTR1 влияет на чувствительность к JA.

Дальнейшие исследования показали, что GTR1 играет ключевую роль в транспорте другого гормона — гиббереллина (GA), поскольку обработка GA полностью компенсировала дефект gtr1 в развитии тычинок и фертильности. Хотя предыдущие исследования установили, что JA и GA оба ключевы для фертильности растений и что между ними может существовать перекрестная связь (crosstalk), функциональная роль этого взаимодействия не была хорошо установлена. Обработка мутантов с дефицитом JA гиббереллином приводила к набуханию плодов, но без зрелых семян. «Эти результаты показали, что передача сигналов JA необходима для развития тычинок и не зависит от стимуляции передачи сигналов GA, даже несмотря на то, что GA мог частично компенсировать недостаток функции JA во время развития цветка», — заявляют исследователи в своем отчете.

Исследователи пришли к выводу, что GTR1/NPF2.10 является многофункциональным транспортером для биологически активной формы JA, GA и глюкозинолатов — класса органических соединений, производных от глюкозы и аминокислот. Результаты также позволяют предположить, что GTR1/NPF2.10 играет важную роль в развитии тычинок и фертильности и также может быть важен для транспорта гормонов в вегетативных тканях.

Arabidopsis

Исследователи использовали Arabidopsis — небольшое цветковое растение, родственное капусте и горчице. Существует много различных типов Arabidopsis, включая Arabidopsis thaliana — тип, использованный в текущем исследовании, также известный как Резуховидка Таля, — который считается модельным организмом. Изменения в растении легко заметны, поэтому его часто используют в биологических исследованиях. Это также был первый организм, чей полный геном был секвенирован.

Arabidopsis размножается половым путем, требуя слияния женских и мужских гамет, чтобы гены, переданные следующему поколению, сочетались от разных родительских растений. Это слияние происходит через опыление, когда пыльца из мужских тычинок — где развивается мужская гамета — вступает в контакт с семязачатками в женской части растения.

Роль JA и GA

Жасмонаты (JA) и гиббереллины (GA) — это два типа гормонов, отмеченных за их потенциальное значение в прорастании семян, цветении и развитии. Растительные JA — это гормоны, производные от определенного типа кислоты, и они регулируют несколько процессов: от созревания пыльцы и тычинок, старения до защитных реакций против других организмов и факторов окружающей среды. Растения Arabidopsis с дефицитом JA склонны к дефектам удлинения тычиночной нити и неполному цветению и высвобождению пыльцы, что делает их мужски стерильными.

GA регулирует развитие тычинок и необходим для цветения, прорастания семян, роста корней и побегов, а также развития семян и семенной коробочки (или плода). Мужская стерильность у некоторых мутантов GA также была связана с дефектным, то есть остановленным, удлинением тычиночной нити. Хотя предыдущие исследования предполагают существование перекрестной связи между двумя типами гормонов, функциональная роль этого взаимодействия в развитии цветка до сих пор не была идентифицирована.

Идентификация GTR1

Исследователи определили значимость GTR1 в процессах, опосредованных JA, проанализировав гены, коэкспрессируемые с девятью различными типами генов биосинтеза JA. Анализ выявил уникальный ген, AT3G47960/GTR1/NPF2.10, который кодирует транспортер глюкозинолатов. Ген принадлежит к семейству NITRATE TRANSPORTER 1/PEPTIDE TRANSPORTER FAMILY (NPF). Было обнаружено, что другие гены NPF ответственны за транспорт ауксина (гормона роста), абсцизовой кислоты (ABA), которая функционирует во многих процессах развития, включая покой, а также GA. Это привело к первоначальной гипотезе, что GTR1/NPF2.10 может быть ответственен за транспорт JA или других гормонов.