Механическое сжатие вызывает преждевременный выброс спермы у растений

Инженеры в области нано- и микросистем и биологи растений из Университета Монреаля и Университета Конкордия обнаружили, что выброс сперматозоидов у растений может быть спровоцирован механическим сжатием органа доставки.

Команда нанобиотехнологов из Конкордии разработала микрочип, позволивший биологам наблюдать за поведением пыльцевых трубок — органелл растений, доставляющих сперматозоиды, — при прохождении микроскопической полосы препятствий. Трубки подвергались воздействию серии узких эластичных отверстий, что вызывало различные клеточные реакции. При слишком узком отверстии рост трубки прекращался. Однако трубки успешно проникали в отверстия чуть большего размера. Любопытно, что при прохождении отверстий определенного размера (относительно ширины трубки) пыльцевые трубки лопались и высвобождали сперматозоиды.

Микрочип был создан для имитации механических препятствий, которые ткани женского цветка создают на пути быстрорастущей пыльцевой трубки к яйцеклетке. В отличие от человека, доставку спермы у растений осуществляет микроскопический одноклеточный орган — цилиндрический вырост мужского гаметофита, пыльцевого зерна. «Подобно вытянутым клеткам человека, таким как нейроны, пыльцевые трубки — это клетки с апикальным ростом, которые внедряются в другие ткани, в данном случае в ткани женских органов цветка. Однако, в отличие от животных, инвазивная способность таких клеток у растений остается малоизученной», — пояснила старший соавтор Анйя Гейтманн из Университета Монреаля.

«Поскольку растительные клетки заключены в жесткую оболочку, они растут и внедряются иначе, чем клетки животных, — добавил старший соавтор Мутукумаран Паккирисами из Университета Конкордия. — С механической точки зрения, процесс роста пыльцевой трубки аналогичен баллонному катетеру для ангиопластики: силы создаются по принципу гидроскелета, то есть за счет давления жидкости. Мы спроектировали микроскопические каналы, через которые трубкам приходилось с усилием протискиваться, чтобы продолжить рост».

Эксперимент потребовал применения микросистемных технологий из-за крошечных размеров пыльцевых трубок (ширина 5–20 микрометров, для сравнения — толщина человеческого волоса около 100 мкм) и чрезвычайно малого усилия, которое они прикладывают для проникновения. Трубка должна не только преодолевать механическое сопротивление окружающих тканей, но и защищать два транспортируемых сперматозоида. «Чтобы соответствовать размерам этой клетки, мы создали микрочип с каналами и препятствиями уже, чем сама трубка, используя методы высокоразрешающей мягкой и прямой литографии», — отметил Паккирисами. Для измерения давления был выбран эластичный полимерный материал оптимальной мягкости, который трубки могли деформировать.

В процессе полового размножения растений пыльцевая трубка должна последовательно внедриться через центральный канал, соединяющий рыльце с завязью, достичь плаценты, найти и войти в отверстие семязачатка и, наконец, лопнуть при контакте с яйцеклеткой для её оплодотворения одним из сперматозоидов.

До сих пор механизм, запускающий своевременный выброс сперматозоидов у растений, был неизвестен. Контроль этого процесса критически важен, поскольку сперматозоиды растений не подвижны и должны быть доставлены точно к цели. Преждевременный выброс делает оплодотворение невозможным, как и его отсутствие.

«Наши результаты показывают, что сильное сжатие трубки действительно приводит к высвобождению спермы. Это демонстрирует, что растительные клетки воспринимают и реагируют на механические стимулы, — сказала Гейтманн. — Однако особенности наблюдаемых клеточных реакций позволяют предположить, что, вероятно, задействованы и другие факторы, например, белковые сигналы». Исследователи считают, что механизмы, контролирующие диаметр трубки и её поведение при росте, требуют дальнейшего изучения. «Мы до сих пор не знаем точно, что вызывает выброс сперматозоидов in vivo, но механический триггер может быть частью сигнального механизма», — заключил Паккирисами.