Обнаружен механизм, с помощью которого растительный гормон цитокинин контролирует деление клеток - прорыв, который значительно улучшает наше понимание того, как растут растения.
Клеточное деление имеет фундаментальное значение для всех форм жизни - все многоклеточные организмы, включая растения и животных, развиваются из одной клетки, которая делится миллиарды раз, чтобы построить сложный организм. Недифференцированные стволовые клетки у растений функционируют как резервуар новых клеток, из которых растение может расти и развивать специализированные ткани. Новые стебли, новые листья, новые корни и новые цветы происходят из небольших скоплений стволовых клеток в областях роста, называемых апикальными меристемами.
Клетки в этих регионах роста постоянно делятся в процессе, называемом митозом, который формирует архитектуру растения. Ученым давно известно, что цитокинин играет центральную роль в этих актах клеточного деления, но они не знали точно, как он стимулирует клеточную пролиферацию.
В статье, опубликованной в журнале Science в четверг, 25 февраля 2021 года, команда из лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института впервые обнаружила, как цитокинин активирует деление стволовых клеток у растений.
Использование Arabidopsis thaliana - члена семейства горчичных, обычно используемого в качестве модельного растения в исследованиях растений - они показали, что цитокинин напрямую способствует транспорту фактора транскрипции MYB3R4 из цитоплазмы в ядро, где он активирует экспрессию ключевые гены клеточного цикла.
Д-р Вейбинг Ян, ведущий автор статьи, а ныне руководитель группы Центра передового опыта в области изучения растений и микробов (CEPAMS), сказал: «Понимание того, как контролируется самообновление стволовых клеток, имеет решающее значение для понимания роста растений. и развитие. Мы знали, что растительный гормон цитокинин важен, и наше исследование теперь объясняет механизм, с помощью которого цитокинин регулирует деление стволовых клеток. Он делает это, перемещая белки в ядро, где они активируют гены, участвующие в митозе».
В митотическом клеточном делении (митозе) хромосомы реплицируются, а затем разделяются поровну на две дочерние клетки. «Используя цейтраферную конфокальную микроскопию живых растений, мы смогли зафиксировать клеточную динамику белков, которые, как оказалось, важны для запуска митоза», - добавил д-р Рэймонд Вайтман, руководитель центра обработки изображений в лаборатории Сейнсбери.
«Наблюдение за интервалами времени за отдельными клетками выявило быстрые изменения в расположении белка MYB3R4», - объяснил д-р Ян. «До клеточного деления белок находился преимущественно в цитоплазме, а в начале митоза происходило быстрое накопление MYB3R4 в ядре с последующим экспортом белка обратно в цитоплазму по завершении клеточного деления. Уже более 40 лет известно, что уровень эндогенных цитокининов растений колеблется в течение клеточного цикла и достигает пика при переходе G2/M. Теперь мы показываем, что прямым ответом этого пика цитокинина является транспортировка ядра MYB3R4».
Дальнейшие эксперименты показали, что цитокинин функционирует как «молекулярный переключатель», который запускает петлю положительной обратной связи - он способствует ядерной локализации MYB3R4 для активации транскрипции генов импортина IMPA3 и IMPA6, которые, в свою очередь, способствуют импорту MYB3R4 в ядро. «С помощью математического моделирования мы демонстрируем, что эта положительная обратная связь может привести к тому, что ядерный трафик MYB3R4 станет более быстрым и сильным», - сказал профессор Хенрик Йонссон.
«Наши результаты могут иметь практическое применение, - добавил д-р Ян, - путем мутации сигнала ядерного экспорта мы смогли создать конститутивно локализованный в ядре белок MYB3R4 и обнаружили, что он может значительно усиливать пролиферацию стволовых клеток и меристему». рост, частично имитирующий эффект лечения цитокинином."
Увеличение уровня цитокинина в меристеме побегов является одним из результатов увеличения азотного питания корней. Способность усиливать реакцию цитокинина на деление клеток в меристеме может дать растениям возможность расти так, как если бы они были здоровыми. - удобряют, даже когда уровень азота в почве не оптимален», - сказал профессор и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Эллиот Мейеровиц.
Позволяя глубже понять, как клетки растений делятся в процессе роста, фундаментальная наука о растениях, такая как это исследование, может помочь определить новые способы улучшения роста растений и заложить основу для будущей работы, которая может повлиять на здоровье растений и урожайность сельскохозяйственных культур.