Как растения обмениваются генетическим материалом

Генетический материал растений, животных и людей защищён в ядре каждой клетки и хранит всю информацию, формирующую организм. Кроме того, клетки содержат органеллы со своим генетическим материалом: хлоропласты в растениях и митохондрии во всех живых организмах. Исследователи из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме впервые экспериментально показали, как этот генетический материал перемещается между клетками.

Перенос генетического материала происходит у растений довольно часто. Это может приводить к новой комбинации генома или к параллельному существованию двух генетических вариантов в клетке-реципиенте. Такое объединение двух разных геномов, называемое аллополиплоидизацией, играет важную роль в эволюции и образовании новых видов растений. Многие сельскохозяйственные культуры, такие как пшеница, овёс, хлопок, рапс, кофе и табак, имеют комбинированные геномы от как минимум двух скрещенных видов.

Эксперимент с прививкой табака

Чтобы понять механизмы переноса генома между клетками, исследователи под руководством Ральфа Бока провели эксперименты с растениями табака, используя метод прививки. Два разных растения табака были привиты друг к другу, а клетки в месте соединения наблюдались в реальном времени с помощью микроскопии.

Для дифференциации геномов ядра и пластид были интегрированы флуоресцентные репортёрные белки. В пластиды был встроен ген, кодирующий хлоропласт-специфичный флуоресцентный белок, который производится исключительно в пластидах и не может их покидать. Это создало абсолютно специфичную и стабильную метку для пластид.

Через короткое время партнёры срастались в месте прививки, образуя физиологическое соединение. "Мы смогли наблюдать, что перенос генома из клетки в клетку происходит в обоих направлениях с высокой частотой в этом месте", — объясняет Александр Хертле, первый автор исследования.

Выпячивания клеточной стенки

Используя новую экспериментальную установку, исследователи наблюдали структурные изменения клеточных стенок в раневой ткани места прививки. "Клеточные стенки образовывали выпячивания, создавая соединения между двумя партнёрами. Размер образовавшихся пор позволяет мигрировать целой пластиде. Таким образом, геном мигрирует не свободно, а инкапсулированным из клетки в клетку", — продолжает Хертле.

Однако для этого пластидам необходимо сжаться и стать подвижными. Эти пластиды в форме стержня подобны амёбе и восстанавливают нормальный размер после переноса в целевую ткань.

Исследователи обнаружили новый путь межклеточного обмена очень крупными клеточными структурами, который могут использовать паразитические растения, такие как омела, для обмена генами с хозяином. Кроме того, теперь необходимо выяснить, используют ли митохондрии и ядерный геном аналогичные механизмы переноса.