Неожиданное открытие: самое изученное растение в мире может увеличивать семена

Фото из открытых источников

У фитобиологов есть своя версия лабораторной крысы: тощий маленький родственник горчицы по имени Arabidopsis thaliana, который изучался десятилетиями благодаря своему быстрому репродуктивному циклу и относительно простому геному. Но, как ясно показывает новое исследование, самое изученное растение в мире все еще хранит важные секреты, включая один с потенциально большими выгодами для сельского хозяйства.

Ранее на этой неделе исследовательская группа представила в Current Biology невиданный ранее механизм, с помощью которого цветы Arabidopsis питают только оплодотворенные яйца и помогают им развиваться в семена. «Это открытие закладывает основу для нового подхода к контролю размера семян», — говорит Томокадзу Кавасима, биолог развития из Университета Кентукки, который не принимал участия в исследовании.

Для многих культур размеры урожая сильно зависят от того, сколько семян несет каждое растение, и от размера этих семян. Действительно, интерес к размеру семян восходит к самым ранним дням сельского хозяйства, когда фермеры выбирали культуры со все более крупными семенами, одомашнивая дикие растения. Современные селекционеры растений делают то же самое, и молекулярные биологи работали над выявлением генов, которые влияют на размер семян. Но за исключением нескольких случаев, исследователи не понимают физиологических механизмов этих генов.

Новое исследование дало неожиданные результаты, потому что исследователи сосредоточили свое внимание там, где другие не обратили внимания. Большинство биологов, интересующихся тем, как растения производят семена, изучают ту часть цветка, где пыльца спускается по крошечной трубочке и встречается с семяпочкой, содержащей яйцеклетку. Но биолог растений из Нагойского университета Рюсиро Касахара, старший автор исследования, решил сосредоточиться на другой области, на месте, куда питательные вещества поступают через сеть трубочек, называемых флоэмой, чтобы питать развивающийся эмбрион. «Я своего рода ненормальный ученый», — шутит он.

Касахара и его коллеги хотели увидеть, как на эту область влияет каллоза, структурная молекула, которую растения используют для возведения временных клеточных стенок для различных целей, таких как заживление ран. Используя синий краситель, они обнаружили, что каллоза формируется в клетках около того места, где флоэма достигает семяпочек. Каллоза создала барьер в форме обеденной тарелки вокруг конца флоэмы.

То, что произошло дальше, стало ключом к открытию: большая часть каллозы исчезла из оплодотворенных семяпочек, оставив кольцо, но масса осталась нетронутой, если семяпочка не была оплодотворена. Позже команда подтвердила, что заполненные каллозой клетки служат воротами, не позволяя питательным веществам флоэмы достигать неоплодотворенных семяпочек. Открытие этой ранее неизвестной структуры вызвало немедленный восторг, вспоминает Касахара. «Я был так счастлив и танцевал».

Исследователи не замечали эту кольцевую структуру раньше, потому что она видна лишь мельком: когда она закрыта, она выглядит как капля, а после того, как центральные ворота открываются, оставшееся кольцо исчезает. Кавасима, который не был частью исследовательской группы, отмечает, что оглядываясь назад, становится понятно, что такая структура существует для того, чтобы помочь растениям избежать слишком больших вложений в неоплодотворенные семяпочки, которые не могут стать сеянцами. «Результаты сродни яйцу Колумба: то, что никто не рассматривал, но как только это доказано, это кажется очевидным», — говорит он.

Чтобы выяснить, что открывает ворота после оплодотворения яйцеклетки, команда идентифицировала десятки генов ферментов, которые могут разрушать каллозу. Благодаря серии экспериментов они сузили свой поиск до одного фермента, названного AtBG_ppap, который казался особенно важным.

В биологии растений Arabidopsis является излюбленным инструментом для экспериментов по «выключению» генов, в которых исследователи изучают функцию гена, отключая его и наблюдая, что не так в растении. Когда исследователи создали версию Arabidopsis с нефункциональным геном AtBG_ppap, каллозные ворота растения оставались в значительной степени нетронутыми даже при оплодотворении его семяпочек, что приводило к семенам, которые были на 8% меньше, чем у обычных растений Arabidopsis.

Но когда команда создала другой мутант Arabidopsis, в котором ген был сверхэкспрессирован, семена растения были на 17% больше, чем обычно, — предположительно, потому что ворота были так легко разрушены, что избыток питательных веществ поступал в оплодотворенные семяпочки. По словам Касахары, команда не увидела никаких побочных эффектов у растений Arabidopsis, модифицированных для получения более крупных семян.

Чтобы получить представление о сельскохозяйственном потенциале, команда затем исследовала рис. Как оказалось, структура и расположение ворот каллозы риса были почти такими же, как у Arabidopsis , и так же, как у Arabidopsis , сверхэкспрессия гена фермента AtBG_ppap в рисе разрушила ворота каллозы и увеличила размер зерна риса на 9%. Не обязательно иметь более крупные зерна риса — это может испортить текстуру и вкус, — но многие другие родственные зерновые культуры могут выиграть, такие как соя, кукуруза и пшеница.

Мигель Перес-Амадор, биолог растений из Политехнического университета Валенсии, не принимавший участия в исследовании, говорит, что результаты подчеркивают, как много еще предстоит узнать даже о таких тщательно изученных структурах, как семяпочка. «Всегда есть место для новых открытий», — говорит он, — «независимо от того, как много мы думаем, что знаем!»