Группа биологов растений из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагои сообщила в журнале «Гены и развитие» о своем открытии того, как материнские и отцовские факторы растения взаимодействуют для роста ребенка. в надлежащей форме.
В ходе исследования под руководством доктора Минако Уеда, преподавателя ITbM, группа обнаружила, что при оплодотворении фактор, происходящий из сперматозоида отца, активирует определенный белок в зиготе (оплодотворенной яйцеклетке). Кроме того, этот активированный белок взаимодействует с фактором, полученным из яйцеклетки матери, для правильного развития зиготы. Это исследование впервые показывает, как факторы, происходящие от отца и матери, взаимодействуют в развитии дочерних растений.
Как и у животных, зигота (ребенок) образуется при оплодотворении материнской яйцеклетки сперматозоидом отца у растений. Впоследствии сгенерированная зигота содержит смесь генов и белков, полученных из клеток обоих родителей. Питательная ткань, окружающая зиготу, также образуется в результате оплодотворения, и известно, что в этой ткани существует феномен родительского конфликта, когда отцовский и материнский факторы противостоят друг другу.
У растений, у которых из одного пестика образуется несколько семян (женский репродуктивный орган=мать), все семена в пестике считаются потомками матери. С другой стороны, пыльца (мужской репродуктивный орган=отцовский), полученная от разных мужских видов, может прикрепляться к одному и тому же пестику, и даже если она находится в одном и том же пестике, считается только семя, полученное из его собственных сперматозоидов. как ребенок отца. Другими словами, мать может иметь детей от разных отцов в пределах своего пестика, и отец не считает семена, полученные от других отцов, своим собственным ребенком. Из-за этой разницы в восприятии мужчин и женщин мать пытается равномерно распределить питательные вещества между каждым ребенком, тогда как отец пытается сконцентрировать питательные вещества на своем собственном ребенке. Это противопоставление материнского и отцовского факторов называется родительским конфликтом.
«Хотя родительский конфликт в питательных тканях был известен и раньше, оставалось загадкой, противодействуют ли родительские факторы друг другу или взаимодействуют друг с другом в зиготе», - говорит Уэда. «С момента начала этого расследования в 2011 году мы смогли показать, что мать и отец растения действительно сотрудничают в развитии своего ребенка». Это исследование было проведено в рамках международного сотрудничества исследователей из Университета Нагоя (Япония), Передового института науки и технологий Нара (Япония), Университета Гента (Бельгия) и Университета Фрайбурга (Германия).
В процессе формирования тела растения зигота удлиняется в вертикальном направлении и делится, образуя зародыш. Это асимметричное деление клеток приводит к образованию мелких и крупных клеток в верхней и нижней части эмбриона соответственно. Маленькая верхняя клетка образует круглую ткань и в конечном итоге вырастает в цветы и листья растения, тогда как большая нижняя клетка удлиняется, образуя корни. Следовательно, удлинение зиготы и направление деления клеток определяют вертикальную ось тела растения. Группа Уэды обнаружила, что в зиготе факторы, полученные от родителей, взаимодействуют друг с другом, вызывая асимметричное деление зиготы и соответствующее развитие эмбриона.
Предыдущие исследования группы Уэды показали, что белок WRKY2, полученный как из материнских, так и из отцовских клеток, отвечает за формирование формы зиготы и эмбриона. WRKY обозначает аминокислоты (обозначенные однобуквенным кодом), которые присутствуют в ядре белка (W=триптофан, R=аргинин, K=лизин и Y=тирозин). Кроме того, они также обнаружили, что фактор, называемый SHORT SUSPENSOR (SSP), образующийся в сперматозоиде, важен для клеточного деления зиготы и развития эмбриона. В этом исследовании Уэда и ее коллеги исследовали взаимосвязь между WRKY2 и SSP в развитии тела растения.
«Мы обнаружили сигнальный путь, при котором SSP фосфорилирует белок WRKY2 в зиготе, тем самым активируя WRKY2», - объясняет Уэда. «Мы также определили, какие участки белка были фосфорилированы, и обнаружили, что пять остатков серина внутри кластера, содержащегося в WRKY2, важны для функции белка».
Группа Уеды провела эксперименты, чтобы показать, что фосфорилирование активирует WRKY2, используя мутанты, не содержащие SSP, и заменив остатки серина в WRKY2 на аспарагин путем замены оснований, что имитирует фосфорилирование серина. Мутант с активированным WRKY2 приводил к асимметричному делению зиготы.
Группа Уеды также обнаружила HOMEODOMAIN GLABROUS11 (HDG11) и HDG12, факторы, полученные из яйцеклеток, которые отвечают за контроль асимметричного деления зиготы и развитие эмбриона. Группа ранее сообщала, что WRKY2 действует на ген WUSCHEL (WUS) HOMEOBOX8 (WOX8) для синтеза белка WOX8, что приводит к асимметричному делению зиготы. В этом исследовании они обнаружили, что HDG11/12 также воздействует на ген WOX8. HDG11/12 не экспрессируются в сперматозоидах, а полученные из яйцеклетки HDG11/12 приводят к асимметричному делению зиготы. Следовательно, HDG11/12, полученные от матери, взаимодействуют с WRKY2, который активируется SSP, полученным от отца, для создания белка WOX8, ключевого фактора ранней стадии развития растений.
В ходе своих исследований они обнаружили, что зиготы, в которых отсутствуют SSP, WRKY2 и HDG11/12, не развиваются должным образом, и их клеточное деление больше не становится асимметричным. Кроме того, эмбрион не может развиваться должным образом и не может принять правильную форму.
«Нашим исследованием мы смогли доказать, что взаимодействие между отцовскими и материнскими факторами имеет важное значение для развития зигот и эмбрионов у растений арабидопсиса», - говорит Уэда.
Группа также обнаружила, что белок WOX8 синтезируется только в небольших количествах в зиготах, в которых отсутствуют как SSP (связанные с отцом), так и HDG11/12 (связанные с матерью). Поэтому группа выдвинула гипотезу, что отцовские факторы взаимодействуют друг с другом, чтобы синтезировать достаточное количество WOX8, чтобы помочь сформировать растительное тело ребенка. В зиготе без SSP или HDG11/12 группа искусственно синтезировала белок WOX8, что привело к асимметричному делению зиготы. Это свидетельствует о том, что белок WOX8 важен для формирования тела растения.
Это исследование впервые показывает, что взаимодействие отцовских и материнских факторов в зиготе растения помогает формировать растительное тело ребенка с ранней стадии развития. Это наблюдение противоположно теории родительского конфликта, предложенной в отношении питательной ткани, окружающей зиготу.
Группа Уеды продемонстрировала новые родительские отношения в зиготе, где родительские факторы взаимодействуют друг с другом. Ожидается, что это открытие механизма сотрудничества приведет к дальнейшему пониманию стратегии того, как родительские факторы контролируют развитие дочерних растений у растений. Кроме того, группе удалось показать, что искусственный синтез белка WOX8 в отсутствие родительских факторов (SSP и HDG11/12) также приводит к развитию эмбриона. Применяя этот подход, можно получить гибридные растения между разными видами растений, где родительские факторы не обязательно совпадают.
«Растения эволюционировали, чтобы выработать механизм роста, отличный от животных», - говорит Уэда. «Это наблюдение родительского сотрудничества, когда отцовский фактор играет роль на ранней стадии развития, может быть уникальной адаптационной стратегией растений, которая может существовать и у других видов растений».