Механизм высвобождения сперматозоидов у печёночников

Исследователи под руководством профессора Ли Хунцзю из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук изучили молекулярный механизм высвобождения сперматозоидов у бриофитов на модели печёночника Marchantia polymorpha.

Исследование опубликовано в Nature Plants.

В отличие от покрытосеменных, у которых неподвижные спермии доставляются к зародышевому мешку пыльцевой трубкой, у более древних наземных растений — бриофитов — подвижные сперматозоиды высвобождаются в воду и плывут к яйцеклетке в архегонии. Факторы, регулирующие этот процесс, были неизвестны.

В ходе исследования с помощью RNA-секвенирования были идентифицированы четыре белка MpMLO (Mildew Resistance Locus O), специфично экспрессирующиеся в репродуктивных тканях Marchantia. Анализ показал, что эти белки экспрессируются только в антеридиях, содержащих сперматозоиды.

С помощью системы CRISPR/Cas9 учёные получили мутант Mpmlo1, который не мог высвобождать сперматозоиды. Субклеточная локализация показала, что белок MpMLO1-Citrine сначала локализуется на плазматической мембране верхушечных клеток антеридия, что приводит к их запрограммированной клеточной смерти (PCD).

В отличие от этого, верхушечные клетки мутанта Mpmlo1 не подвергались PCD после созревания антеридия и продолжали увеличиваться даже после дегенерации антеридия из-за старения.

Внедрив сенсор ионов кальция R-GECO1 в растения дикого типа и мутанта Mpmlo1, исследователи изучили динамику Ca²⁺ в клетках оболочки антеридия. Они зафиксировали высокий уровень Ca²⁺ в верхушечных клетках, которые разрываются для высвобождения сперматозоидов, и сниженный уровень цитоплазматического Ca²⁺ в верхушечных клетках мутанта, где высвобождения не происходило.

Выводы:

1. PCD — необходимое условие для высвобождения сперматозоидов из антеридия Marchantia.
2. Белок MpMLO1, экспрессирующийся в верхушечных клетках, повышает уровень цитоплазматического Ca²⁺ и индуцирует в них PCD.
3. Последующее проникновение воды в пору антеридия транспортирует слизистую массу со сперматозоидами к поверхности рецептакула для дальнейшего оплодотворения.

Исследование раскрывает молекулярные основы высвобождения сперматозоидов у древних наземных растений и подчёркивает эволюционную консервативность сигнального модуля MLO–Ca²⁺, который можно проследить до последнего общего предка печёночников и цветковых растений.