Совместной исследовательской группе удалось идентифицировать важный фактор транскрипции, GCAM1, который позволяет растениям печеночника размножаться бесполым путем путем создания клонального потомства (вегетативное размножение). Кроме того, было обнаружено, что этот фактор транскрипции имеет то же происхождение, что и факторы, регулирующие образование вторичных почек у покрытосеменных растений. Тот факт, что этот фактор транскрипции был обнаружен у печеночников, предполагает, что он был важным древним развитием общего предка наземных растений по крайней мере 430 миллионов лет назад.
Есть надежда, что эти открытия приведут к развитию технологий, позволяющих увеличить скорость выращивания различных растений в сельском хозяйстве и садоводстве.
В состав группы входили исследователь Юкико Ясуи (сейчас доцент Киотского университета) и доцент Кимицунэ Исидзаки из Высшей школы науки Университета Кобе, а также представители университетов Киото, Синсю и Киндай, а также Макса Планка. Институт селекционных исследований (МПИЗ).
Эти результаты исследования были опубликованы в американском научном журнале Current Biology 7 ноября 2019 года.
Меристемы представляют собой пулы недифференцированных или неспециализированных клеток, расположенных на участках растений, где может происходить рост, обычно на кончиках растений. Эти меристемы позволяют расти новым побегам и цветам, а также позволяют многим разновидностям растений размножаться бесполым путем, создавая собственные клоны. Этот процесс называется вегетативным размножением. Клональные потомки, образующиеся в результате вегетативного размножения, имеют тот же генетический состав, что и родительское растение. Вегетативное размножение происходит на разных участках в зависимости от сорта растения, например, стеблями (картофель, земляника), корнями (батат) или даже листьями (каланхоэ). Его также можно вызвать с помощью ряда методов, таких как черенкование и прививка, и обычно он используется для выращивания растений как в сельском хозяйстве, так и в садоводстве. Однако многие аспекты механизма этой системы воспроизводства остаются неизвестными.
Вегетативное размножение у печеночников происходит внутри чашечек геммы, которые образуются на поверхности тела растения. Исследовательская группа, состоящая из некоторых из тех же членов, недавно осветила механизм, посредством которого геммы развиваются в чаше для гемм. Тем не менее, до сих пор было неясно, какой механизм позволил сформировать чашечки гемма в первую очередь.
Эта исследовательская группа стремилась выяснить, какие гены играют большую роль в формировании гемма-чаши, посредством всестороннего анализа экспрессии генов. Благодаря этому анализу они обнаружили один транскрипционный фактор, который они назвали Gemma cup-associated MYB1 (GCAM1). Они обнаружили, что удаление этого гена GCAM1 из растения предотвратило формирование чашечек геммы. Однако удаление этого гена не повлияло на другие аспекты роста растения, кроме чашечек геммы, что привело их к выводу, что белки GCAM1, кодирующие ген GCAM1, жизненно важны для запуска образования чашечек геммы.
Затем они осветили функцию белков GCAM1 с целью контроля образования гемма-чаши. Для этого они создали сверхэкспрессию белков GCAM1 внутри растения печеночника. Когда функция белка GCAM1 сверхэкспрессирована, растение не может расти, и увеличивается количество недифференцированных клеток со свойствами стволовых клеток. Основываясь на этом результате, считается, что GCAM1 ответственен за подавление клеточной дифференцировки в областях меристемы, что в нормальных условиях должно способствовать образованию чашечек и гемм.
GCAM1 представляет собой ген фактора транскрипции R2R3-MYB. Известно, что одно и то же подсемейство генов у покрытосеменных обладает пазушной почечной функцией (RAXs у Arabidopsis thaliana и Blind у растений томатов). Чтобы исследовать эту эволюционную взаимосвязь, был проведен эксперимент с модельным растением Arabidopsis thaliana.
Ранее было обнаружено, что мутантные растения Arabidopsis thaliana без гена RAXs развивают меньше пазушных почек по сравнению с растением дикого типа (контрольным). Однако эта исследовательская группа обнаружила, что введение гена GCAM1 этому мутанту привело к увеличению количества пазушных почек. Ген GCAM1 печеночника проявлял ту же функцию у Arabidopsis thaliana, что указывает на то, что ген RAXs и ген GCAM1 являются ортологами. Ортологи - это гены разных видов, которые произошли от общего предкового гена и, таким образом, сохраняют одну и ту же функцию.
Выявлено, что ген GCAM1 печеночника и гены, ответственные за образование пазушных почек у покрытосеменных растений, являются ортологами. На основании этого вывода предполагается, что образование чашечек геммы у печеночников и образование пазушных почек у покрытосеменных имеют один и тот же механизм.
Технология контроля образования пазушных побегов у покрытосеменных растений может быть использована для непосредственного увеличения урожайности. Есть надежда, что дальнейшие исследования GCAM1 могут стать основой для такой технологии. Затем необходимо осветить сеть, участвующую в управлении GCAM1, и исследовать общие черты между печеночниками и покрытосеменными растениями. Это будет способствовать не только пониманию вегетативного размножения печеночников, но и раскроет общий механизм, с помощью которого растения производят новые почки.
Глоссарий:
> Печеночник (Marchantia polymorpha):
размножается посредством вегетативного размножения, при котором клоны (gemmae) родительского растения развиваются внутри геммовых чашечек, которые формируются на теле растения. Полная информация о геноме печеночника доступна с 2017 года, и это растение привлекло внимание как модель для исследования механизмов эволюции наземных растений и функций генов.
> Меристема:
Ткань, содержащая недифференцированные клетки. Он находится в частях растения, где может происходить рост.
> Arabidopsis thaliana:
Также известный как кресс-салат, это небольшое цветущее растение (покрытосеменное) из семейства крестоцветных (горчичных). Полная последовательность генома этого растения доступна с 2000 года, а это означает, что его часто используют в качестве модели в исследованиях биологии растений, изучающих функции и механизмы генов.
> Покрытосеменные:
- цветковые растения, семена которых заключены в плодолистика. Многие виды наземных растений классифицируются как покрытосеменные, включая травянистые растения, кустарники и большинство деревьев.
> Транскрипционные факторы:
- это белки, которые помогают включать и выключать определенные гены (и их функции).
> Недифференцированные клетки:
Основные клетки, которым еще предстоит развить какие-либо специализированные функции.