Добавление сахаров играет ключевую роль в развитии эволюционно далёких растений

Добавление молекул сахара к определённым белкам играет удивительно разнообразную роль в фундаментальных процессах развития растений.

Исследователи под руководством адъюнкт-профессора CSHL Закари Липпмана изучили роль эволюционно консервативных ферментов, которые добавляют специфические сахара к различным белкам. Учёные обнаружили, что удаление генов для этих ферментов у цветкового растения Arabidopsis thaliana и мха Physcomitrella patens привело к сходным дефектам у обоих видов, широко разделённых во времени эволюции. Однако, что удивительно, эти дефекты вызвали ускоренный рост части одного вида и замедленный рост части другого вида по сравнению с нормой.

"Это демонстрирует, насколько важно, чтобы белки были украшены этими молекулами сахара в различных контекстах развития", — говорит Липпман.

Команда ранее показала, что группа ферментов, добавляющих сахара, — гидроксипролин O-арабинозилтрансферазы (HPATs) — контролирует производство стволовых клеток у томатов. Растения без генов HPATs дают больше цветов и более крупные плоды.

Липпман и ведущий автор исследования Кора Макаллистер обнаружили, что гены HPATs также встречаются у широкого спектра видов растений, включая эволюционно древние, такие как мхи. "Растения в основании эволюционной линии, как мох, не имеют тех же тканей и органов, что и цветковые растения, поэтому роли генов должны быть очень разными", — отмечает Липпман.

В отличие от томатов, удаление генов HPATs у Arabidopsis и Physcomitrella, по-видимому, не повлияло на производство стволовых клеток. "Большим сюрпризом стал тот факт, что у Arabidopsis мы увидели дефект только в росте пыльцевых трубок, необходимых для оплодотворения и производства семян", — говорит Липпман. У мха Physcomitrella учёные увидели дефекты в росте нитей, позволяющих мху колонизировать соседнюю почву.

Оба эффекта являются частью процесса, известного как апикальный (верхушечный) рост. Это привело команду к предположению, что древней функцией генов HPATs является контроль апикального роста, который, вероятно, связан с ключевыми белками, критически важными для формирования клеточных стенок.

Любопытно, что отсутствие генов HPATs оказало противоположное влияние на апикальный рост у двух видов. У Arabidopsis пыльцевые трубки у мутантов hpat росли слишком медленно и проигрывали конкуренцию нормальным, тогда как у мха поражённые нити фактически росли быстрее. Причины этого удивительного различия до сих пор неясны, но это демонстрирует, что ферменты HPATs могут иметь очень разные эффекты в разных контекстах.

"Эти ферменты похожи на 'мастеров на все руки'", — говорит Липпман. "Они занимаются всеми видами нацеливания на разные белки в разных контекстах развития". Они ответственны за добавление молекул сахара к многочисленным различным типам белков.

В последующей работе Макаллистер, возглавляющая собственную исследовательскую группу в Мичиганском университете, попытается идентифицировать мишени этих ферментов у мхов и других подобных растений. Липпман планирует использовать мутации в генах HPATs для понимания некоторых других процессов, в которых они участвуют.

"Действительно удивительно, насколько важны эти, казалось бы, простые сахарные модификации для роста и развития во всём царстве растений", — заключает Липпман.