Прямая визуализация формирования женских гамет у растений

Учёные из Университета Нагои, Городского университета Йокогамы и Университета Тюбу разработали систему, позволяющую проводить визуализацию в реальном времени процесса формирования женской гаметы у растений.

У цветковых растений спермий и яйцеклетка встречаются, и оплодотворение происходит в цветке. Если спермии образуются в пыльце, то яйцеклетка формируется в семязачатке (семяпочке) — структуре, которая становится семенем. Однако, поскольку семязачаток находится глубоко в пестике, до сих пор было невозможно наблюдать образование яйцеклетки в живых растениях.

Команда под руководством доктора Дайсукэ Курихары и доктора Тэцуи Хигасиямы из Института трансформативных биомолекул Университета Нагои (WPI-ITbM), доктора Даити Сусаки из Института биологических исследований Кихары Городского университета Йокогамы и доктора Такамасы Судзуки из Колледжа бионаук и биотехнологии Университета Тюбу, используя ранее разработанную технологию культивирования семязачатков, смогла получить изображения формирования яйцеклетки внутри семязачатка. Более того, они смогли изолировать яйцеклетку и соседние с ней клетки и, проанализировав экспрессию генов в этих немногих клетках, выяснить, как клетки, прилегающие к яйцеклетке, определяют её судьбу.

Живые организмы, осуществляющие половое размножение, производят потомство в процессе оплодотворения с участием мужских и женских гамет. У животных женская гамета (яйцеклетка) образуется путём мейоза — типа клеточного деления, которое уменьшает вдвое число хромосом в клетке. Однако у цветковых растений этот процесс более длительный. После мейоза внутри клетки происходит три раза кариомитоз (деление ядра), в результате чего образуется одна клетка с восемью ядрами. Затем эта клетка делится, производя клетки с различными ролями, включая две гаметы (яйцеклетку и центральную клетку), а также синергиды. Однако до конца не было понятно, как именно две женские гаметы образуются среди семи новых клеток, возникающих в результате этого процесса деления.

Используя ранее разработанный метод культивирования семязачатков, исследовательская группа попыталась провести наблюдение в реальном времени за формированием женской гаметы у Arabidopsis thaliana. Они увидели, что при первом делении ядра два образовавшихся ядра расходятся к противоположным концам клетки. Разделившись на четыре, ядра затем выстраиваются вдоль края клетки. Наконец, разделившись на восемь, они окружаются плазматическими мембранами, формируя клетки, связанные с двумя гаметами (яйцеклеткой и центральной клеткой). Наблюдая 157 случаев такого деления, они обнаружили, что ядра, расположенные ближе к месту проникновения пыльцевой трубки, становятся ядрами синергид, яйцеклетки и центральной клетки. Это демонстрирует, что положение ядер внутри клетки сильно коррелирует с клеточной судьбой.

Далее, чтобы выяснить, когда определяется судьба различных клеток, они проанализировали время начала экспрессии специфического фактора транскрипции myb98, важного для дифференцировки и функции клеток-синергид. Они обнаружили, что myb98 начинает экспрессироваться почти сразу после того, как ядра делятся на 8 и окружаются плазматическими мембранами. Учитывая, что специфический фактор транскрипции для яйцеклетки также обнаруживается в ней на той же ранней стадии, можно считать, что клеточная судьба определяется сразу после образования плазматических мембран или, возможно, даже раньше.

Время определения клеточной судьбы важно, поскольку оно даёт представление о том, как растения сохраняют адаптивность к условиям окружающей среды, гибко изменяя клеточную судьбу и тем самым обеспечивая выживание ключевых клеток, таких как гаметы.

В будущем внимание исследовательской группы будет сосредоточено на выяснении того, как осуществляется изменение клеточной судьбы, и объяснении его молекулярного механизма. Как только молекулярный механизм будет проанализирован, ожидается, что эта область исследований внесёт вклад в разработку методов повышения скорости оплодотворения растений и их устойчивости к окружающей среде, открывая перспективы решения ключевых проблем с поставками продовольствия, затрагивающих миллионы людей во всём мире.