Ученые разгадали секреты процесса клонирования растений

Фото из открытых источников

Растения клонируют себя уже миллионы лет. Клубника пускает побеги, картофель выпускает новые ростки, а мхи распространяются по влажной земле, никогда не образуя семян. Однако учёные до сих пор не могут точно определить тот единственный генетический переключатель, который сообщает растению, когда следует начать создавать свои копии.

Теперь исследователи, изучающие скромный печеночник, растущий на тротуарах и садовых стенах, утверждают, что наконец-то нашли этот переключатель. Отключив один ген, растение полностью прекратило клонирование. Включив его обратно, ученые могли запускать весь процесс по команде.

Группа исследователей под руководством Юки Хиракавы, профессора Хиросимского университета в Японии, сосредоточила свое внимание на небольшом зеленом растении, мимо которого большинство людей проходят, не обращая на него внимания. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.

Обыкновенный печеночник (Marchantia polymorpha) стелется по влажным тротуарам и тенистым уголкам садов по всему Северному полушарию. Его тело, называемое талломом, прилегает к земле и выглядит как сплющенная зеленая лента.

Внутри маленьких зеленых чашечек на поверхности растут крошечные дискообразные клоны. Это геммы. Капля дождя ударяется о чашечку, разбрызгивает воду, и на расстоянии нескольких сантиметров от нее пускает корни совершенно новый печеночник.

В большинстве исследований растений используются растения Arabidopsis thaliana, небольшие родственники горчицы, которые десятилетиями были излюбленным объектом лабораторных исследований. Однако одно им никогда не удавалось: самоклонировать. Это создало пробел.

Бесполое размножение, или клонирование, происходит во всем растительном царстве – у картофеля, клубники, имбиря, одуванчиков, а также от отростков, растущих на пнях кленов. В недавней статье описывается масштаб этого процесса. Однако стандартный генетический инструментарий не смог бы раскрыть этот процесс.

Команда Хиракавы выбрала печеночник именно потому, что это растение клонирует себя на виду у всех, по регулярному графику. Кроме того, оно имеет небольшой, хорошо картированный геном, что упрощает проведение целенаправленных экспериментов.

Более ранние работы той же группы указывали на гормоноподобный сигнал, называемый пептидом CLE, который, по-видимому, подавлял клонирование у печеночников. Полезно, но косвенно.

Когда команда исследователей изучила, какие гены изменяют свою активность в ответ на этот сигнал, появился короткий список кандидатов. Один из них особенно выделялся, и его назвали GEMMIFER, в честь гемм, которые, как казалось, он контролировал. Простая биология, простое название.

Чтобы проверить, выполняет ли GEMMIFER свою работу, команда Хиракавы использовала редактирование генома CRISPR-Cas9 для выведения гена из организма. Затем они применили другой подход к подавлению генов, используя молекулы РНК для его ингибирования вторым способом.

Оба способа дали одинаковый результат: растения полностью перестали образовывать зачатки. Ни зачатков, ни клонов, ни распространения. Без GEMMIFER печеночник продолжал нормально расти как единое целое, но утратил способность к самокопированию.

Отключение гена было лишь половиной вопроса. Затем команда создала модифицированный штамм печеночника с химическим триггером — стероидом под названием дексаметазон, который активирует ген GEMMIFER всякий раз, когда исследователи этого захотят.

Короткий, но сильный импульс стероида вызвал поразительные изменения в меристеме — небольшой области делящихся клеток на верхушке роста растения. Специализированные стволовые клетки появились там, где еще вчера находилась обычная ткань.

В отдельном исследовании было составлено описание того, как эти клеточные идентичности обычно организуются в ткани геммы. Здесь новые клетки созревали, превращались в геммы, отделялись и самостоятельно вырастали в новые растения — вся последовательность клонирования осуществлялась одним-единственным геном.

Ген GEMMIFER работает не в одиночку. Он взаимодействует со вторым геном, который, согласно более ранним исследованиям, был связан с формированием геммы. Включите GEMMIFER. В ответ активируется и ген-партнер, по-видимому, запуская процесс клонирования. Теперь эта цепочка идет от начала до конца – от подавляющего гормона, через GEMMIFER, к GCAM1 и далее к новому индивидууму. 

Группа Хиракавы работала с коллегами из Кембриджского университета и других учреждений, чтобы дополнить картину.

«Точный механизм перепрограммирования судьбы клеток этим геном до сих пор полностью не изучен», — сказал Хиракава, отметив, что другие растения также содержат подобные гены, функции которых остаются неясными.

Результаты исследования GEMMIFER получены исключительно на печеночниках, и вопрос о том, выполняют ли аналогичные гены в сельскохозяйственных культурах ту же функцию, остается неизученным. Этот вопрос, как и точные молекулярные этапы, связывающие GEMMIFER с формированием новых клонов, остается открытым.

До этого исследования никто не идентифицировал ни одного гена растений, который мог бы одновременно запускать и останавливать бесполое клонирование. GEMMIFER делает и то, и другое: если его выключить, клонирование прекратится; если включить, запустится вся последовательность.

Это имеет реальные последствия для растениеводства. Фермеры используют клонирование для выращивания бананов, сахарного тростника и фруктовых деревьев. Такой ген, как GEMMIFER, или его аналоги в пищевых культурах, дает селекционерам конкретную генетическую цель для изучения.

Это также устраняет давний пробел в биологии растений. Печеночник больше не является курьёзом, затерянным в уголке поля. Обзор этого вида прослеживает его тихий, но значимый рост в качестве модельного организма за последнее десятилетие.

«Тот факт, что мы не смогли наблюдать это на традиционных модельных растениях, не означает, что этого не происходит в других местах в природе», — сказал Хиракава. «Это открытие напоминает нам о множестве биологических тайн, которые еще предстоит раскрыть».