Две международные исследовательские группы определили ключевые регулирующие сети, контролирующие, как растения растут «вовне», что может помочь нам выращивать деревья, чтобы они были более эффективными поглотителями углерода и увеличивали урожайность овощных культур.
Когда мы вытягиваем шеи, чтобы с благоговением смотреть на высоту самых высоких деревьев в мире, легко забыть, что то, что позволяет этим живым небоскребам простоять сотни и даже тысячи лет, - это не рост вверх, а наружу. роста, что делает стебли и стволы толще. Радиальный рост обеспечивает физическую поддержку растений, дает предметы повседневного обихода, такие как древесина и пробка, и играет важную роль в преобразовании атмосферного углерода в биомассу растений.
Радиальный рост также производит специализированные сосудистые ткани, которые транспортируют воду и питательные вещества вокруг растений, и виден в виде концентрических узоров, известных как годовые кольца роста, на поперечных сечениях ствола дерева. Во многих случаях растения и деревья продолжают этот рост наружу на протяжении всей своей жизни. Радиальный рост также отвечает за производство наших корнеплодов и клубнеплодов, таких как репа, морковь, сахарная свекла и картофель. Тем не менее, механизмы, лежащие в основе того, как растения утолщают свои стебли и корни за счет радиального роста, практически неизвестны.
Ученые из Университета Хельсинки и Кембриджского университета независимо друг от друга обнаружили две регуляторные сети, направляющие этот важнейший радиальный рост растений. Их открытия, опубликованные сегодня в двух отдельных статьях в журнале Nature, обеспечивают наиболее полное понимание того, как растения растут радиально. Это также означает, что учебники по ботанике во всем мире должны будут обновить свои описания того, как два типа сосудистых тканей растений - ксилема (более известная как древесина), которая переносит воду, и флоэма, которая переносит питательные вещества, - формируются, дифференцируются и растут.
Понимание того, как растения контролируют и направляют радиальный рост
Используя кресс-салат (Arabidopsis thaliana) в качестве модельного растения для изучения формирования структуры клеток во время радиального роста, команда доктора Ари Пекка Мяхёнена из Института биотехнологии (подразделение HiLIFE) и Факультета биологических наук и наук об окружающей среде в Университет Хельсинки положил конец почти 150-летнему спору о расположении и сущности стволовых клеток, ответственных за радиальный рост. Его команда показала, что стволовые клетки камбия (тканевого слоя, дающего начало вторичной сосудистой ткани) расположены рядом с молодой ксилемой. Кроме того, он показал, что молодая ксилема действует как организатор активности стволовых клеток.
Используя ту же модель растения, команда профессора Юка Хелариутты из лаборатории Sainsbury Cambridge University (SLCU) сосредоточилась на ранней (первичной) стадии развития сосудов. Они показали, что в отличие от поздней стадии, на этой ранней стадии молодые клетки флоэмы (протофлоэма) инициируют и организуют первичную (прокамбиальную) стадию радиального роста. Они также описали основную сеть регуляции генов и интегрирующую роль недавно идентифицированной группы мобильных факторов транскрипции.
Вместе их результаты раскрывают некоторые регуляторные механизмы, которые позволяют растениям продолжать радиально расти высокоорганизованным образом, что приводит к концентрическим узорам, наблюдаемым на поперечных сечениях стеблей и корней. Ключевым моментом является расположение клеток и сложная сеть обратной связи.
Команда доктора Мяхёнена объединила отслеживание линий отдельных клеток и молекулярную генетику, чтобы показать, что клетки ксилемы на ранней стадии, которые еще не дифференцировались, становятся организаторами и направляют соседние сосудистые клетки на деление и функционирование в качестве стволовых клеток: «Мы показали, что это вторичное развитие представляет собой строго контролируемый процесс и выявило динамическую природу организатора. Дифференцировка организатора в сосуд ксилемы приводит к образованию нового организатора в соседней камбиальной стволовой клетке, обеспечивая таким образом поддержание сосудистого камбия. Мы также идентифицировали молекулярный механизм, определяющий организатор стволовых клеток».
Какова природа межклеточных сигналов, регулирующих активность меристем сосудов?
Радиальный рост за счет сосудистого камбия представляет собой позднюю, вторичную стадию развития растений, особенно заметную у древесных пород. Радиальный рост начинается у ранних сеянцев в так называемую прокамбиальную стадию, которая наблюдается у всех видов растений.
«Ткани флоэмы на очень ранней стадии (протофлоэма) помогают направлять поведение клеток и устанавливать закономерности потенциала развития, которые влияют на будущий радиальный рост», - говорит профессор Хелариутта. «Это устанавливается с помощью группы мобильных факторов транскрипции, которые перемещаются из ситовидного элемента протофлоэмы (PSE) в соседние клетки, чтобы способствовать делению клеток и развивать свою собственную идентичность. Активность этих мобильных факторов транскрипции регулируется набором сигналов различной химической природы, таких как растительные гормоны, другие факторы транскрипции и виды мобильных микроРНК."
Команды д-ра Mähönen и профессора Helariutta продолжают расшифровывать, как другие камбиальные факторы регулируют сигнальную сеть, определяющую организатора стволовых клеток, и как радиальный рост на ранней стадии влияет на вторичный радиальный рост, соответственно. Это понимание может помочь в будущей селекции сельскохозяйственных культур и деревьев для получения более высоких экономических урожаев и максимального связывания углерода в атмосфере за счет увеличения лесной биомассы.