Как растения строят "сахарную полосу" для транспорта питательных веществ

Международная группа учёных обнаружила, что крошечная область на кончике корня — апикальная меристема — управляет ростом и развитием сложной сети флоэмы, ткани, транспортирующей сахара по корням растений. Исследование опубликовано в журнале Science.

Суть открытия

• Флоэма — это высокоспециализированная сосудистая ткань, образующая непрерывную сеть по всему телу растения. Она транспортирует сахара, питательные вещества и сигнальные молекулы между листьями, корнями, цветами и плодами.
• Корни растений обладают неопределённым ростом: они постоянно удлиняются, добавляя новые ткани к кончику, подобно строительству бесконечного шоссе. Непрерывный тяж клеток флоэмы (аналогичный "полосе" на этом шоссе) доставляет основной питательный элемент — сахарозу — к нуждающимся в нём частям растения.
• Ключевой вопрос, который долгое время оставался загадкой: как единый градиент сигнальных белков в корне может координировать различные фазы созревания во всех специализированных типах клеток ("полосах шоссе")?

Метод и результаты

Исследователи из лабораторий Йрьё Хелариутты (Кембриджский университет, Хельсинкский университет) совместно с коллегами из Нью-Йоркского университета и Университета штата Северная Каролина изучили модель Arabidopsis thaliana.

• Используя single-cell RNA-seq и live imaging, они детально восстановили каждый этап развития клеток флоэмы ("сахарной транспортной полосы").
• Учёные показали, как белки, контролирующие общий градиент созревания корня, взаимодействуют с генетическим аппаратом, специфичным для развития флоэмы.
• Обнаружен механизм "качелей": взаимное генетическое подавление ранних и поздних генетических программ обеспечивает быстрые переходы между этапами развития. Ранние программы ингибируют поздние, и наоборот — аналогично последовательной работе дорожных бригад при строительстве шоссе.
• Также показано, как ранние регуляторы флоэмы управляют разделением клеток на два различных подтипа — подобно строительству развилки дороги.

Значение и перспективы

Понимание того, как инициируется и развивается сеть флоэмы, имеет важное значение для сельского хозяйства, лесоводства и биотехнологий. Это может открыть пути для более эффективной доставки сахаров (энергии) к целевым частям растения — семенам, плодам и запасающим органам. В дальнейшем исследователи планируют изучить эволюцию этих механизмов и проверить, воспроизводятся ли аналогичные этапы развития в других тканях растений и у других видов.