Любой, кто смотрит на свою тарелку с салатом или на свой сад, может увидеть, насколько разнообразной может быть форма листьев. Листья шпината, например, имеют ровные края и сравнительно просты по форме, в то время как листья петрушки имеют глубокую выемку и сложные формы, по-видимому, состоящие из многих отдельных субъединиц. В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые из Института исследований селекции растений им. Макса Планка в Кельне определили, как ключевые гены развития влияют на рост клеток, вызывая такие различия в форме листьев. Обладая этими знаниями, исследователи смогли сделать кресс-салат, который обычно дает простые листья, вырастить листья, похожие по сложности на листья кресс-салата мохнатого, родственного растения со сложными листьями.
Все листья развиваются из крошечных почек, которые состоят всего из нескольких клеток. Бутоны всегда выглядят одинаково, независимо от того, какой лист они в итоге образуют. Не только это, очень похожие формы листьев могут возникать из очень разных моделей роста. Это сделало еще более сложным определение путей, ответственных за разнообразие встречающихся в природе форм листьев.
Ученые впервые использовали расширенную визуализацию, чтобы сравнить, как определенные регуляторные гены направляют рост клеток как у модельного растения кресс-салата (Arabidopsis thaliana), так и у родственного растения кресс-салата мохнатого (Cardamine hirsuta). Затем ученые-компьютерщики объединили генетические и микроскопические данные, чтобы понять, как гены создают форму.
В течение нескольких часов после образования бутонов листья обоих видов растений росли одинаково. Набор генетических правил, общих для обоих видов, заставляет медленно и быстрорастущие клетки чередоваться в положении вдоль края листа, что позволяет листьям производить повторяющиеся выросты. Однако затем эти два вида стали производить разные формы: кресс-салат волосатый начал развивать свои отдельные подразделения, называемые листочками, в то время как кресс-салат формировал только неглубокие зубцы на краю листа.
Эти различия вызваны двумя регуляторными генами, которые активны только у горького кресса волосатого. Один из них, называемый RCO, локально замедляет рост клеток вокруг растущих выростов, заставляя их становиться намного глубже. Другой, STM, более широко контролирует рост, замедляя созревание клеток и позволяя им продолжать направленный рост дольше, что приводит к образованию больших листочков. Сочетание обоих эффектов приводит к сложному листу с его субъединицами.
Чтобы проверить свои идеи о форме листа, исследователи включили гены RCO и STM в нужное время и в нужном месте в листовой почке кресс-салата. Это привело к тому, что почка сформировала сложный лист вместо обычного простого листа. «Это был полезный эксперимент, - говорит Циантис, - вроде превращения хвостовых перьев воробья в перья павлина». Наши результаты значительны, поскольку, хотя имеется много информации о том, какие гены влияют на развитие различных растений или животных, гораздо менее ясно, как эти гены изменяют количество, направление и продолжительность роста для создания окончательной морфологии различных видов».
Предварительные выводы кельнских исследователей показывают, что при определенных обстоятельствах сложные листья могут использовать углекислый газ лучше, чем простые листья. Таким образом, преобразование простых листьев в сложные путем изменения их роста потенциально может повысить урожайность некоторых сельскохозяйственных культур», - заключает Циантис.