Исследователи пролили новый свет на эволюцию и функцию форм, которые мы наблюдаем в природе, взяв за образец сердцевидные плоды рода Capsella.
Мир природы полон разнообразных форм, от органов до целых организмов, которые в результате эволюции приспособлены для оптимальной работы и воспроизводства в окружающей среде.
Семенные коробочки Capsella с характерными плечами в форме сердца предлагают анатомическую новинку и превосходную систему обучения для понимания разнообразия форм.
Ранее проведенные исследования показали, что экспрессия ключевых регуляторных генов является основным фактором, контролирующим эволюцию формы органов. Это новое исследование, проведенное исследователями Центра Джона Иннеса, добавляет еще один важный шаг на этом пути, обнаружив модификацию активности белка, которая имеет решающее значение для формирования формы органа.
Они показывают, что SUMO-протеаза HEARTBREAK (HTB) из Capsella rubella контролирует активность ключевого регулятора развития плода INDEHISCENT посредством процесса, называемого де-SUMOylation.
Только благодаря этому де-СУМОилированию - своего рода молекулярной обрезке - активируется путь, который обеспечивает биосинтез растительного гормона ауксина, который, в свою очередь, способствует анизотропному расширению клеток с образованием сердцевидных плодов капселлы.
Профессор Ларс Остергаард, руководитель программы в Центре Джона Иннеса и соответствующий автор статьи, объясняет значение: «Мы знаем, что разнообразие форм, которое мы часто наблюдаем в природе, вызвано изменениями в положении и времени ключевых регуляторные гены: именно так возникает множество вариаций.
Мы обнаружили, что существует этот посттрансляционный эффект, помимо экспрессии генов. Эта модификация белка лежит в основе этого типа разнообразия формы плода - и во многом объясняет разницу между пример между плодами Capsella и плодами родственного модельного растения Arabidopsis. Речь идет об изменении активности белка на другой стадии, чем мы видели раньше».
Исследователи использовали прямой генетический скрининг - метод изучения ряда признаков - который идентифицировал мутанта с нарушенным развитием сердцевидного плода. Поэтому мутанта назвали разбитым сердцем. Они использовали покадровую 3D-визуализацию и молекулярную генетику, чтобы охарактеризовать фенотип разбитого сердца на клеточном и молекулярном уровне.
Первый автор доктор Ян Донг добавил: «Теперь у нас есть полный путь, основанный на экспрессии генов, динамике гормонов и посттрансляционной модификации белков, настолько подробно, что мы можем проверить, в какой степени эти виды путей с этими компонентами гораздо шире распространены в царствах, а не только в царстве растений."
Одним из следующих шагов исследователей является перенос этого фундаментального открытия из исследовательского растения Capsella на связанный с ним товарный рапс.
Исследование дает ответ на ключевой вопрос о том, как появляются эти формы.
Но почему природа придумала такую необычную форму, как сердцевидные стручки Капселлы? Какова функция этой формы? Причина до сих пор остается спорной, объясняет профессор Остергаард.
Ранее мы думали, что эти формы могут быть хорошим функциональным дизайном для рассеивания семян, потому что форма может позволить ветру захватывать стенки семенных коробочек, но наши анализы, сравнивающие их с арабидопсисом и масличным рапсом, не выявили большого преимущества. плодов Capsella в рассеивании семян, поэтому мы не думаем, что это может быть основным фактором.
Возможно, они могут работать как солнечные батареи. Другими словами, возможно, они улавливают солнечный свет и увеличивают способность к фотосинтезу. Мы знаем, что фотосинтетическая способность стенок семенных коробочек может оказывать сильное влияние на развитие семян внутри коробочки и, следовательно, на урожайность. Таким образом, понимание этого механизма дает нам инструменты, которые, возможно, позволят манипулировать стенками семенных коробочек таких культур, как масличный рапс».