Аспирант определил давно упускаемую из виду закономерность того, как у растений развился их аналог легких - крошечные поры на поверхности листьев, называемые устьицами. Используя специальные методы визуализации и виды растений, редко встречающиеся в лабораториях, исследователи говорят, что это открытие показывает ключевое различие в эволюции растений, которые живут на суше, по сравнению с теми, которые могут расти в воде.
Я почувствовал, что это действительно интересно, это было для меня большим сюрпризом. Я хорошо помню, как после наблюдения в комнате с микроскопом на цокольном этаже я бросился вверх по лестнице, чтобы рассказать доктору О'Нилу. Кога о своем открытии», - вспоминал первокурсник докторантуры Юки Долл, обучающийся в Высшей школе естественных наук Токийского университета под руководством доцента Хироюки Кога.
Конечно, я и любой ученый можем видеть, что устьица разные, но нам легко просто игнорировать это, не чувствовать никакой закономерности. Когда я услышал об открытии Долла-куна, я тоже был очень взволновался и обсудил с ним, что надо углубиться в этот предмет, - заметил Кога. (Кун - это японский почетный суффикс, прикрепляемый к именам юношей.)
Когда устьица открыты, углекислый газ, кислород и водяной пар могут входить и выходить из листа для фотосинтеза и дыхания. Искусственное изменение количества устьиц - один из возможных способов сохранить урожай здоровым в меняющемся климате.
Команда UTokyo изучала несколько видов растений рода Callitriche, в который входят как наземные, так и водные виды.
"Callitriche - интересная, но небольшая группа растений, и мы единственные в мире, кто использует их для биологических исследований развития", - сказал Кога.
Вспоминая свой первый опыт изучения растений, Долл сказал: «Когда я начал анализировать закономерности распределения устьиц в водной Callitriche, я почувствовал, что расположение устьиц отличается от того, чему меня учили, когда я был старшекурсником в общий лабораторный вид Arabidopsis. У меня сложилось впечатление, что эта странная закономерность должна иметь место для всех Callitriche, но я подумал, что все в порядке, Arabidopsis и Callitriche принадлежат к очень разным эволюционным линиям, поэтому для них естественно быть разными. Затем я проанализировал наземный вид Callitriche, и я увидел, что он больше похож на Arabidopsis».
В частности, Долл заметил, что устьица и окружающие их клетки на поверхности листьев водных растений были гораздо более однородными, чем различные размеры клеток на листьях наземных растений.
Тот факт, что два эволюционно близкородственных вида растений имели такие разные модели развития устьиц, указывает на возможность того, что условия их жизни - на суше или в воде - могут регулировать развитие устьиц.
Кога и другие сотрудники лаборатории ранее усовершенствовали метод визуализации активности генов в каждой отдельной клетке целых листьев растения. Техника полной флуоресцентной гибридизации in situ не нова, но трудно и необычно использовать эти инструменты молекулярной биологии, не разрезая растение на ультратонкие срезы.
Изображения наземных и водных листьев Callitriche подтвердили, что растения использовали одни и те же два гена для развития своих устьиц, но эти гены были активны в разное время.
Почти у всех растений ген SPEECHLESS способствует росту и делению группы клеток на поверхности вновь формирующихся листьев. В конце концов, ген MUTE становится активным в этих клетках и блокирует SPEECHLESS, в результате чего эти клетки перестают делиться и затем дифференцируются в устьица. Связав искусственные флуоресцентные метки с двумя генами, исследователи могли видеть в разрешении одной клетки, когда SPEECHLESS подавляется, а MUTE становится активным.
У земных Callitriche исследователи обнаружили, что MUTE экспрессируется в клетках всех возрастов. MUTE экспрессировался гораздо более равномерно только в более старых клетках водных видов, которые, по-видимому, пропустили стадию деления и имеют скоординированную задержку, чтобы дождаться позднего развития листьев, чтобы активировать MUTE.
Исследователи подозревают, что водные виды эволюционировали, чтобы отсрочить формирование устьиц, чтобы дождаться и почувствовать, будет ли этот новый лист полностью погружен в воду или будет выше уровня воды. Газообмен под водой менее эффективен, поэтому у подводных листьев обычно меньше устьиц, чем у листьев, находящихся на воздухе.
Открытие представляет интерес для биологов-эволюционистов, интересующихся взаимосвязью между давлением окружающей среды и эволюционной генетикой, но также актуально для будущего выращивания сельскохозяйственных культур в изменяющихся или непредсказуемых условиях.
«Обычно предполагается, что близкородственные виды имеют схожие модели развития устьиц, но наш главный вывод заключается в том, что это не так», - сказал Кога.
Вместо этого исследователи говорят, что их новые результаты показывают, что среда обитания вида является важной эволюционной силой, определяющей модель развития его устьиц, а не только генетическое происхождение вида.
Поняв полный генетический путь, ведущий к гибкому контролю экспрессии SPEECHLESS и MUTE между видами, ученые смогут предсказать, какие эволюционные линии сельскохозяйственных культур с большей вероятностью оптимизируют свои устьица для роста в меняющемся климате.