Калифорнийский университет в Дэвисе, биологи внедрили ген, отвечающий за формирование семян, в листья растения, а не в его цветы, что может привести к ценным инновациям в области продовольственных культур.
Биологи впервые выделили LEC1, широко разыскиваемый ген, который, как считается, является ключом к развитию семян. Затем они разработали растения, которые заставляли ген работать намного раньше, чем обычно, в жизненном цикле растения.
Один из результатов перепланированной активности гена был особенно поразительным: на поверхности некоторых листьев образовались крошечные скопления перчаткообразной эмбриональной ткани. И некоторые из этих зародышей, все еще прикрепленные к поверхности листьев, даже пустили корни.
Новое исследование, описанное в выпуске журнала Cell от 26 июня, было работой исследователей из лаборатории биолога растений Калифорнийского университета в Дэвисе Джона Харада и сотрудников Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Его возглавила Тамар Лотан, научный сотрудник Harada с докторской степенью.
«Открытие LEC1 очень интересно», - сказал Терри Томас, биолог растений из Техасского университета A&M, не участвовавший в исследовании. «Это важный шаг к пониманию сложных проблем развития семян».
Харада сказал, что LEC1 будет полезен для выяснения координации между ранней стадией развития зародыша, наращивания тканей, и поздней стадией созревания семян.
«Ген LEC1 многому нас учит», - сказал он. «И исследование также имеет значение для некоторых важных приложений».
Например, заставляя LEC1 функционировать в листьях растений, можно произвести революцию в производстве масел и белков из кукурузы, рапса (рапсовых семян) и соевых бобов - основных продуктов питания для людей и домашнего скота.
«Зрелые семена содержат много этих масел и белков. Они питают развивающееся растение в период после прорастания семян и до начала фотосинтеза», - сказал Харада. «Традиционно нам приходилось долго ждать этих продуктов - пока растение не созреет, не зацветет и не даст семян.
«Но могут быть преимущества в разработке растения, которое производит их в своей растительности», - сказал он. Представьте, например, что вместо кукурузных зерен перемалывают листья кукурузы для приготовления растительного масла.
Другая возможность заключается в том, что зародыши растений могут быть выращены в питомниках листовых тканей для решения давней проблемы в сельском хозяйстве: как более эффективно производить растения с качествами и силой, которые в настоящее время достигаются только путем скрещивания, или гибридизация.
Для многих культур гибридные семена получают путем скрещивания различных элитных линий, каждая из которых отобрана по желаемым признакам. Однако эти гибридные потомки не всегда передают эти качества своим потомкам.
Но выращивание эмбрионов может производить «искусственные семена», которые будут клонами родительского гибрида и сохранят его сильные стороны, говорят Харада и еще один автор исследования, биолог Боб Голдберг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
«Если ген LEC1 проложит путь к развитию семян без оплодотворения, у него будет огромный потенциал», - сказал Голдберг. «Энергия гибрида может быть зафиксирована в данной линии, что избавит от необходимости скрещивать инбредные линии и создавать гибридное поколение за поколением. Это обеспечит новую стратегию для значительного увеличения выхода продуктов питания и производства волокна».
Харада подчеркивает, что это все приложения, которые могут стать возможными, но еще не стали возможными. «Результаты этого исследования были многообещающими, но технически труднодостижимыми», - сказал он.
А именно: из 7 000 семян со сконструированным геном LEC1 проросло только около 40. У десяти из этих саженцев выросли стебли и листья, и они зацвели; семь наборов семян. Потомство двух из этих растений имело зародышевые структуры на листьях.
Далее исследователи LEC1 изучат активность гена внутри растительных клеток. В статье Cell установлено, что LEC1 (названный в честь мутации, затрагивающей первые листья ростка, называемые семядолями) является важным регуляторным геном, который включает или выключает другие гены. Теперь группа хочет выяснить, что это за другие гены и что они делают.
Группа также надеется показать, как белковый продукт LEC1 взаимодействует с другими белками для сборки семян.
«Мы не знаем, обязательно ли эта работа найдет практическое применение», - сказал Харада. «Но если это произойдет, это будет еще один пример того, как фундаментальные исследования могут принести пользу - в данном случае фундаментальные исследования эмбриогенеза растений и того, как он регулируется».