Обнаружены новые ключевые этапы подготовки растений к мейозу

Сексуальная репродукция — это способ природы «перетасовать генетическую колоду». Этот процесс, называемый мейозом, начинается до образования половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток). В ходе мейоза гомологичные хромосомы, унаследованные от матери и отца, обмениваются участками, создавая генетически уникальные клетки. По сравнению с животными, у которых есть выделенная зародышевая линия, механизм вступления растений в мейоз изучен плохо. Растения «назначают» эту задачу лишь горстке клеток внутри цветка на поздних стадиях развития.

В новом исследовании ученые из Стэнфорда построили временную шкалу для клеток кукурузы (маиса), вступающих в мейоз. «Мы использовали новый метод, чтобы взглянуть на этот переход в жизненном цикле так, как это было невозможно ранее, и обнаружили новые этапы», — сказал Брэд Нелмс, соавтор исследования.

Результаты, опубликованные 5 апреля в журнале Science, показывают, что путь к мейозу у кукурузы начинается плавно, но прерывается двумя резкими скачками активности генов на самых ранних стадиях мейоза.

«Мейоз в основном изучали, фокусируясь на изменениях в структуре хромосом, — сказал Нелмс. — Мы же посмотрели на него через призму экспрессии генов и обнаружили, что это дает дополнительную информацию».

Ход исследования

Исследователи изолировали микроскопические трубчатые органы (пыльники), в которых споры, образующиеся в результате мейоза, развиваются в пыльцу. В течение недели они отслеживали развитие репродуктивных клеток, готовящихся к мейозу, с помощью метода single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq). Этот метод позволяет получить моментальный снимок всех матричных РНК, экспрессируемых в отдельной клетке, и их относительной концентрации в определенный момент времени.

Ученые обнаружили, что наиболее значительные изменения происходят, когда клетки завершают подготовку к мейозу и вступают в его самую раннюю фазу. В двух временных точках активность примерно четверти наиболее экспрессируемых генов изменилась в два и более раз. Исследователи полагают, что эти скачки связаны с изменениями структуры хромосом во время мейоза, а также с более масштабной дифференцировкой клеток при подготовке к последующему развитию пыльцы.

Для дальнейшего изучения этих скачков Нелмс и Уолбот также исследовали мейоз у мутантных линий кукурузы. В одном случае не созревали окружающие репродуктивные клетки соматические клетки, в другом — процесс мейоза прерывался. Однако в обеих ситуациях новообнаруженные скачки генной активности все равно происходили. Это указывает на то, что сигналы от соседних клеток не требуются для наблюдаемых всплесков, и что даже при сбое мейоза половые клетки все равно выполняют свою «зашитую» программу развития.

«Мы первые задокументировали эти двойные увеличения экспрессии генов во время мейоза у кукурузы, но, вероятно, они происходят и у других организмов», — сказала Уолбот.

Значение для растений, животных и человека

Исследование предоставляет «дорожную карту» для изучения ранних событий развития пыльцы у растений. Более глубокое понимание инициации мейоза может помочь селекционерам лучше комбинировать генетические признаки для создания новых культур с желаемыми свойствами.

Генетическая перетасовка во время мейоза неэффективна: редкие обмены между хромосомами часто затрагивают крупные блоки соседних генов. «Представьте, что вы режете колоду карт вместо того, чтобы тасовать ее между играми — каждая игра будет довольно похожа на предыдущую», — сказал Нелмс.

Выявление деталей того, как растительные клетки готовятся к мейозу и проходят через него, может указать способы увеличить генетическую рекомбинацию или, наоборот, подавить ее. Помимо смешения признаков, селекционеры сталкиваются с обратной задачей — закрепления признаков, то есть обеспечения их наследования будущими поколениями культур. К желательным признакам относятся устойчивость к засухе и болезням, повышающая урожайность, или более высокая питательная ценность.

«Лучшее понимание мейоза может дать способы устранить генетическую рекомбинацию, когда это необходимо, — сказала Уолбот. — В этом процессе растения производят семена, идентичные родительскому растению, передавая комбинации полезных признаков всем потомкам, что приносит пользу нам, потребителям».