Растения умеют делать хитрые трюки.
Посредством фотосинтеза они используют солнечный свет и углекислый газ для производства пищи, выделяя в качестве побочного продукта кислород, которым мы дышим. Это эволюционное нововведение настолько важно для идентификации растений, что почти все наземные растения используют одни и те же поры, называемые устьицами, для поглощения углекислого газа и выделения кислорода.
Устьица крошечные, микроскопические и имеют решающее значение для фотосинтеза. Тысячи их усеивают поверхность растений. Понимание того, как формируются устьица, является важной базовой информацией для понимания того, как растения растут и производят биомассу, за счет которой мы процветаем.
В статье, опубликованной 7 мая в журнале Developmental Cell, группа под руководством Вашингтонского университета описывает тонкую клеточную симфонию, которая производит крошечные, функциональные устьица. Ученые обнаружили, что ген растений, известный как MUTE, управляет развитием устьиц. MUTE управляет активностью других генов, которые сообщают клеткам, когда делиться, а когда не делиться, подобно тому, как дирижер говорит музыкантам, когда играть, а когда молчать.
«Ген MUTE действует как главный регулятор развития устьиц», - говорит старший автор Кейко Тори, профессор биологии Университета Вашингтона и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «MUTE осуществляет точный контроль над правильным формированием устьиц, инициируя единственный раунд клеточного деления - только один - в клетке-предшественнике, из которой развиваются устьица».
Устьица напоминают пончики - круглая пора с отверстием посередине для входа или выхода газа из растения. Пора состоит из двух клеток, каждая из которых известна как замыкающая клетка. Они могут набухать или сжиматься, открывая или закрывая поры, что имеет решающее значение для регуляции газообмена для фотосинтеза, а также уровня влажности в тканях.
«Если растения не могут образовывать устьица, они нежизнеспособны - они не могут «дышать», - сказал Тории, который также является профессором Университета Нагоя в Японии.
Тори и ее команда исследовали, какие гены управляют образованием устьиц у Arabidopsis thaliana, небольшого сорняка, который является одним из наиболее широко изученных растений на планете. Предыдущие исследования группы Тории и других исследователей показали, что у арабидопсиса MUTE играет центральную роль в формировании устьиц. Ген MUTE кодирует инструкции для клеточного белка, который может контролировать состояние «включено» или «выключено» других генов растений.
Исследователи создали штамм арабидопсиса, который может искусственно производить много белка MUTE, поэтому они могли легко определить, какие гены белка MUTE включаются или выключаются. Они обнаружили, что многие активированные гены контролируют клеточное деление - процесс, критически важный для развития устьиц.
У арабидопсиса, как и почти у всех растений, устьица формируются из клеток-предшественников, известных как замыкающие материнские клетки, или GMC. Чтобы сформировать рабочую устьицу - единственную для устьиц - GMC делится один раз, чтобы уступить место парным замыкающим клеткам. Поскольку их данные показали, что белки MUTE включают гены, регулирующие клеточное деление, Тори и ее команда задались вопросом, является ли MUTE геном, который активирует этот единственный раунд клеточного деления. Если да, то это должен быть строго регламентированный процесс. Генетическая программа должна была бы включить деление клеток в GMC, а затем быстро выключить его обратно, чтобы гарантировать, что происходит только один цикл деления.
Команда Тории показала, что одним из генов, активируемых белком MUTE в его ДНК, является CYCD5;1, ген, который вызывает деление GMC. Исследователи также обнаружили, что белки MUTE включают два гена, называемые FAMA и FOUR LIPS. Это было важным открытием, потому что, в то время как CYCD5;1 включает клеточное деление GMC, FAMA и FOUR LIPS выключают или подавляют программу клеточного деления.
"Наши эксперименты показали, что MUTE включает как активаторы клеточного деления, так и репрессоры клеточного деления, что кажется нелогичным - зачем ему делать и то, и другое?" - сказал Тори. «Это сделало нас очень заинтересованными в понимании временной регуляции этих генов в GMC и устьицах».
С помощью точных экспериментов они собрали данные о времени активации MUTE этих активаторов и репрессоров клеточного деления. Они включили эту информацию в математическую модель, которая моделировала, как MUTE активирует и подавляет деление клеток в GMC. Во-первых, MUTE включает активатор CYCD5;1, который запускает один раунд клеточного деления. Затем FAMA и FOUR LIPS предотвращают дальнейшее деление клеток, образуя одно функциональное устьица, состоящее из двух замыкающих клеток.
"Как дирижер на подиуме, MUTE, по-видимому, сигнализирует своим генам-мишеням, каждый из которых играет определенную и даже противоположную роль в последующем произведении", - сказал Тории. «Результатом является тесно связанная последовательность активации и репрессии, которая приводит к возникновению одной из самых древних структур наземных растений».