Миллионы раз в весенний день происходит драматическое биомолекулярное танго, в котором цветок играет не на зубах танцора, а на его украшении. В этом танце женский пестик ведет, мужские пыльцевые трубки следуют за ним, а в конце трубки взрываются и умирают.
В новой статье журнала Current Biology описываются генетически предписанные танцевальные шаги пыльцевой трубки и то, как их экспрессия направляет трубку на самопожертвование, позволяя цветущим растениям воспроизводиться.Биология в старших классах заканчивается на этом: при нормальном опылении пыльцевые зерна, несущие сперматозоиды, приземляются на кончик пестика, или рыльце, и вырастают трубочки вниз по его стилю, чтобы достичь яичников в семязачатках у основания пестика. Как только трубки достигают места назначения, они открываются и выпускают сперму, чтобы оплодотворить каждый из двух яичников в каждой яйцеклетке.В своей лаборатории в Университете Брауна Марк Джонсон, доцент биологии, изучает истинную сложность межклеточных коммуникаций, которые осуществляют этот процесс с исключительной точностью.
К числу фундаментальных вопросов биологии, которые играют в сексуальной жизни цветов, относятся, например, то, как клетки узнают друг друга, знают, что делать, и знают, когда это делать. В прошлом году, например, Джонсон и его исследовательская группа показали, как из всех сотен пыльцевых трубок, прорастающих через пестик, каждая яйцеклетка получает ровно два фертильных сперматозоида.По мере того, как мы углубляемся в детали, это действительно отличная система для понимания того, как клеточная идентичность устанавливается и считывается другой клеткой, — сказал Джонсон. сигналы] по мере роста пыльцевой трубки.
Это довольно динамичная система, которая возникает в течение нескольких часов ».Заставляя мужчину слушатьВ новой статье группа Джонсона, возглавляемая аспирантом третьего курса Александром Лейдоном, стремилась выяснить, что заставляет мужские пыльцевые трубки перестать расти и лопаться, когда они достигают семяпочки.
Ученые начали понимать команды женщин, но не способность мужчин слушать.Из предыдущего исследования они знали, что экспрессия генов в пыльцевых трубках, выросших через пестик, сильно отличалась от экспрессии в пыльцевых трубках, выращенных в лаборатории. Поэтому первым шагом Лейдона было выяснить, какие регуляторы экспрессии генов или факторы транскрипции работают в трубках с пыльцой, выращенными на пестиках, а не в трубках, выращенных в лаборатории. Сначала они нашли один под названием MYB120, а с помощью геномного анализа обнаружили двух близких родственников: MYB101 и MYB97.
Он пометил их флуоресцирующими белками и обнаружил под микроскопом, что эти факторы транскрипции накапливаются в ядрах пыльцевых трубок по мере их роста в пестике.Поместив их на место происшествия, Лейдон решил посмотреть, что происходит, когда их нет. Он вырастил несколько нормальных растений арабадопсиса, в некоторых из которых мутация отключила только один из факторов транскрипции, а в других — гены всех трех факторов транскрипции. Затем он взял пыльцу с каждого, чтобы опылить нормальные цветы.
Пыльцевые трубки от всех трех растений надежно добрались до семяпочек, но в 70 процентах семяпочек, обнаруженных тройными мутантами, пыльцевые трубки не прекращали расти, а затем лопались. Вместо этого они продолжали расти, свертываться и оставаться нетронутыми.«Пыльцевая трубка попадает в нужное место, что, по вашему мнению, является самой сложной частью», — сказал Джонсон. «Но как только он попадает туда, он не может услышать сообщение от самки, чтобы она перестала расти и взрываться».
Оттуда команда искала, какие гены, экспрессируемые в пыльцевых трубках, регулируются факторами транскрипции MYB. В пыльцевых трубках, которые прорастали через пестики, они обнаружили 11, которые были сильно недоэкспрессированы в мутировавших пыльцевых трубках по сравнению с нормальными.Наконец, они посмотрели, что делают эти гены.
Они кодируют множество задач, но одна, в частности, привлекла внимание Лейдона, потому что она отвечает за секрецию белка, называемого тионином.«Что касается тионина, я был особенно взволнован, потому что он был описан как способный по существу взрывать другие клетки», — сказал Лейдон. «Это было бы то, что могло бы связываться с мембраной и вызывать образование пор».
Другими словами, экспрессия этого гена может подтолкнуть механизм самоуничтожения пыльцевой трубки.«Это не просто диалог, это диалог, который заканчивается смертью», — сказал Лейдон. «Это действительно хорошо контролируемая ситуация с гибелью клеток».Применение в сельском хозяйстве?
По словам Джонсона, будущая работа будет включать более полное отслеживание соответствующих генов и определение того, действительно ли тионин разрушает пыльцевые трубки, на что, по-видимому, указывают гены и их экспрессия, связанная с MYB.По словам Джонсона, эта работа может иметь значение не только в фундаментальной науке.
Иногда агрономы пытаются скрещивать такие виды, как ячмень и пшеница, в надежде получить новые урожаи. Это можно сделать, если разные виды тесно связаны и имеют одинаковое количество хромосом, но оплодотворение часто не удается на этапе взрыва и высвобождения пыльцевой трубки.
Среди сельскохозяйственных культур опыление означает пищу.«Понимание этого молекулярного движения вперед и назад на всех различных уровнях и стадиях будет полезно либо для разработки процесса, либо для введения генетического разнообразия, которое позволит репродуктивному процессу быть эффективным даже в сложных условиях окружающей среды», — сказал Джонсон.
Помимо Лейдона и Джонсона, другими авторами Брауна являются Кристин Бил, Каролина Воронецка, Элизабет Кастнер, Джефферсон Чен и Кэси Хорган. Равишанкар Паланивелу из Университета Аризоны является соавтором. Чен, Кастнер и Воронецка были студентами Брауна, которые присоединились к проекту в качестве летних стипендиатов Медицинского института Брауна-Ховарда Хьюза.
Национальный научный фонд финансировал исследование за счет гранта IOS-1021917. В своей работе исследователи использовали Genomics Core Facility Университета Брауна.