Обнаружена новая закономерность в развитии устьиц у растений

Докторант Университета Токио Юки Долл выявил упускавшуюся ранее закономерность в эволюции устьиц — крошечных пор на поверхности листьев, выполняющих функцию "лёгких" растений. Исследование, проведённое с использованием специализированных методов визуализации и нетипичного для лабораторий рода растений Callitriche, показало ключевое различие в развитии устьиц у наземных и водных видов.

Ключевое наблюдение

Изучая различные виды рода Callitriche (включающего наземные и водные формы), Долл заметил, что распределение и развитие устьиц у водных видов отличается от классической модели, известной по лабораторному растению Arabidopsis.

• У водных видов Callitriche устьица и окружающие их клетки были более однородными по размеру.
• У наземных видов Callitriche картина была изменчивой и больше напоминала Arabidopsis.

Это навело на мысль, что среда обитания (вода или суша), а не только эволюционное родство, может регулировать развитие устьиц.

Генетический механизм

С помощью метода whole-mount fluorescence in situ hybridization, позволяющего визуализировать активность генов в каждом отдельном клетке целого листа, учёные подтвердили, что оба типа растений используют одни и те же гены для развития устьиц: SPEECHLESS (стимулирует рост и деление клеток) и MUTE (блокирует SPEECHLESS, запуская дифференцировку в устьица). Однако активность генов была синхронизирована по-разному:

• У наземных видов MUTE экспрессировался в клетках разного возраста.
• У водных видов экспрессия MUTE была более однородной и происходила с координированной задержкой, только в старых клетках, что, по-видимому, позволяло пропустить стадию деления.

Эволюционная адаптация

Исследователи предполагают, что водные виды эволюционно развили задержку в формировании устьиц, чтобы "дождаться" и определить, окажется ли новый лист полностью погружённым в воду или над её поверхностью. Поскольку газообмен под водой менее эффективен, погружённые листья обычно имеют меньше устьиц.

Значение исследования

"Обычное предположение, что близкородственные виды имеют сходные паттерны развития устьиц, неверно", — заявил руководитель исследования доцент Хироюки Кога.

Ключевой вывод: среда обитания является важной эволюционной силой, определяющей паттерн развития устьиц, а не только генетическое происхождение вида.

Это открытие важно как для эволюционной биологии, так и для сельского хозяйства. Понимание полного генетического пути, контролирующего экспрессию SPEECHLESS и MUTE, может помочь предсказать, какие эволюционные линии сельскохозяйственных культур с большей вероятностью оптимизируют свои устьица для роста в условиях меняющегося климата.