Открытие родительских факторов, приводящих к асимметричному делению зиготы

Международная группа биологов растений впервые обнаружила, как факторы от матери и отца у цветковых растений взаимодействуют для формирования тела их потомка. До сих пор было неизвестно, противодействуют или сотрудничают отцовские и материнские факторы для достижения асимметрии зиготы. Это открытие прольет свет на точный механизм формирования тела растения и, возможно, приведет к созданию новых гибридных растений.

Группа из Института трансформативных биомолекул (ITbM) Университета Нагои сообщила в журнале Genes and Development об открытии того, как материнские и отцовские факторы растения взаимодействуют для правильного развития потомка.

Исследование под руководством доктора Минако Уэды показало, что при оплодотворении фактор, происходящий из сперматозоида отца, активирует определенный белок в зиготе (оплодотворенной яйцеклетке). Этот активированный белок взаимодействует с фактором, происходящим из яйцеклетки матери, для правильного развития зиготы. Это первая демонстрация сотрудничества отцовских и материнских факторов в развитии потомка у растений.

Как и у животных, зигота образуется при оплодотворении яйцеклетки матери сперматозоидом отца. В образовавшейся зиготе смешиваются гены и белки обоих родителей. В питательной ткани, окружающей зиготу, существует явление родительского конфликта, где факторы отца и матери противодействуют друг другу.

Мать (пестик) стремится равномерно распределить питательные вещества между всеми семенами, в то время как отец (пыльца) пытается сконцентрировать ресурсы на собственном потомстве. Это противоречие обусловлено разным «восприятием» родства: в одном пестике могут быть семена от разных отцов, но отец признает только свое потомство.

«Хотя родительский конфликт в питательных тканях был известен, оставалось загадкой, противодействуют или сотрудничают родительские факторы в самой зиготе», — говорит Уэда. — «Начиная с 2011 года, мы смогли показать, что мать и отец растения фактически сотрудничают в развитии своего ребенка».

Механизм формирования оси тела растения

В процессе формирования тела растения зигота удлиняется вертикально и делится, образуя зародыш. Это асимметричное клеточное деление приводит к образованию маленькой клетки наверху (из которой разовьются цветы и листья) и большой клетки внизу (будущий корень). Таким образом, направление деления определяет вертикальную ось тела растения.

Группа Уэды обнаружила, что в зиготе факторы от родителей сотрудничают, чтобы обеспечить асимметричное деление и правильное развитие зародыша.

Ключевые игроки: SSP, WRKY2 и HDG11/12

  • WRKY2 — белок, присутствующий как в материнских, так и в отцовских клетках, отвечает за формирование формы зиготы и зародыша.
  • SHORT SUSPENSOR (SSP) — фактор, вырабатываемый в сперматозоиде, важен для деления зиготы.

Исследование выявило сигнальный путь: SSP фосфорилирует белок WRKY2 в зиготе, активируя его. Ключевыми для функции белка оказались пять остатков серина в кластере WRKY2.

  • HOMEODOMAIN GLABROUS11 (HDG11) и HDG12 — факторы, происходящие из яйцеклетки (матери), также контролируют асимметричное деление зиготы.

Сотрудничество для синтеза ключевого белка

Ранее было показано, что WRKY2 действует на ген WUSCHEL (WUS) HOMEOBOX8 (WOX8), что приводит к синтезу белка WOX8 — ключевого фактора асимметричного деления.

Новое открытие: HDG11/12 также действуют на ген WOX8. Таким образом, HDG11/12 от матери кооперируются с WRKY2, активированным SSP от отца, чтобы обеспечить синтез достаточного количества белка WOX8.

Экспериментальные доказательства

  • Зиготы, лишенные SSP, WRKY2 или HDG11/12, развиваются неправильно, их деление перестает быть асимметричным, зародыш не формирует правильную форму.
  • Искусственный синтез белка WOX8 в зиготах, лишенных SSP или HDG11/12, восстанавливал асимметричное деление, доказывая его ключевую роль.

Значение открытия

  1. Новый тип родительских отношений: В зиготе обнаружено сотрудничество факторов отца и матери, что противоположно теории родительского конфликта в окружающих тканях.
  2. Перспективы для селекции: Искусственный синтез WOX8 в отсутствие родительских факторов также приводит к развитию зародыша. Это открывает путь к созданию гибридов между разными видами растений, где родительские факторы могут не совпадать.
  3. Уникальная адаптация растений: Наблюдение кооперации, где отцовский фактор играет роль на ранней стадии развития, может быть уникальной стратегией адаптации растений, отличающей их от животных.

«Растения эволюционировали, развив механизм роста, отличный от животных», — заключает Уэда.