» » Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода


Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Рис. 1. Кукурузное поле. Изображение с сайта лаборатории Вирджинии Уолбот


«Nature or nurture?» — «Природа или воспитание?». Что в жизни определяется наследственностью, а что — влиянием окружающей среды? Что заложено изначально, а что можно попробовать изменить? И если что-то определено генетически, а что-то — меняется под действием окружения, то как отличить одно от другого? Этот вопрос можно сформулировать очень широко: насколько влияет на развитие цивилизации ее генофонд, а насколько — окружающая обстановка? А можно очень узко: в какой степени судьба делящейся клетки определяется ее происхождением, а в какой — средой, в которой она находится? И если исчерпывающий ответ на первый вопрос вряд ли когда-нибудь будет получен, то ответ на один частный случай второго вопроса был опубликован в свежем номере Science. Американским исследователям удалось доказать, что развитие мужских половых клеток у кукурузы определяется не наследственностью, а исключительно окружающей средой.

У животных и растений половые клетки развиваются по-разному. В животном организме еще на ранней стадии эмбрионального развития появляется отдельная клеточная линия, из клеток которой потом созревают гаметы. Если эта линия по какой-то причине будет уничтожена, организм навсегда останется бесплодным. Растения же могут позволить себе роскошь производить половые клетки по мере надобности, уже во взрослом возрасте.

Почему же растительные клетки становятся половыми — потому ли, что они произошли из каких-то особенных, «предполовых», предшественников, или их вынудила сделать это окружающая обстановка? Чтобы узнать это, Вирджиния Уолбот (Virginia Walbot), руководительница лаборатории в Стэнфордском университете, и ее студент Тимоти Келлихер (Timothy Kelliher) провели доскональное исследование развития пыльцы в пыльниках кукурузы.

Для начала ученые проследили за тем, как в норме развиваются кукурузные пыльники и откуда в них, собственно, берутся половые клетки. Стоит отметить героизм авторов работы: почти все исследования они проводили «вручную», разглядывая пыльники на разных стадиях развития под конфокальным микроскопом. За всё время исследования было рассмотрено несколько тысяч препаратов.

В результате выяснилось следующее. В самых молодых, коротеньких пыльниках обнаруживаются группы клеток, которые ведут начало от меристемы — образовательной ткани, которая играет у растения примерно ту же роль, что и стволовые клетки у животных. Эти клетки впоследствии могут дифференцироваться либо в археспории (те клетки, которые дадут начало пыльце), либо во вспомогательные соматические клетки. Каждый пыльник состоит из четырех долек, и археспориальные клетки развиваются в центре дольки, а вспомогательные окружают их со всех сторон (рис. 2).


Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Рис. 2. Схема влияния уровня кислорода на дифференцировку клеток в пыльниках кукурузы. Метелка на кукурузном початке (Tassel) несет пыльники (Anther), каждый из которых состоит из четырех долей и на поперечном разрезе имеет форму бабочки. В недифференцированных клетках пыльников присутствует белок MSCA1, который работает тем активнее, чем меньше вокруг кислорода (High MSCA1 activity in hypoxic environment). Если MSCA1 активен, то он заставляет клетки пыльника (Early anther cells) дифференцироваться в археспории (Archesporial germline cells). Археспории же выделяют белок MAC1 (MAC1 secretion), который заставляет окружающие их клетки дифференцироваться во вспомогательные (Parietal supportive cells). Изображение из обсуждаемой статьи Клинтона Виппла Defining the Plant Germ Line—Nature or Nurture? в Science


Почему же одни клетки меристемы дают начало археспориям, а другие — вспомогательным клеткам? От чего это зависит? От наследственности (археспории и вспомогательные клетки развиваются из разных видов клеток меристемы) или от окружающей среды (клетки меристемы идентичны, и будущее развивающейся клетки зависит только от ее положения: если она окажется в середине, то станет половой, если же на периферии — вспомогательной)? И если дело в окружающей среде, то какой фактор этой среды определяет судьбу клетки?

Для ответа на этот вопрос исследователи подробнее изучили гены, которые необходимы для правильного развития пыльника. Один из этих генов, msca1, представлял особенный интерес. Кодируемый данным геном белок MSCA1 катализирует некоторые окислительно-восстановительные реакции и потому очень чувствителен к изменению в клетке окислительно-восстановительного баланса (или редокс-баланса, от англ. redox, reduction-oxidation) и в том числе к уровню кислорода. Это навело исследователей на мысль, что именно окислительно-восстановительный баланс и определяет, станет ли клетка половой или останется соматической. (В некоторых предыдущих исследованиях уже была показана важность редокс-баланса при дифференцировке различных типов клеток у растений.)

У кукурузы метелки, на которых образуются пыльники, в момент созревания завернуты в «кокон» из молодых, еще не фотосинтезирующих листьев настолько крепко, что к ним почти не проникает свежий воздух; разворачивается этот кокон уже к тому моменту, когда пыльники созрели. Значит, в момент созревания пыльники подвергаются гипоксии, и меньше всего воздуха проходит в центральную часть долек, туда, где и образуются половые клетки. То есть, по предположению исследователей, дифференцировка половых клеток проходит так. Пыльники находятся в «душной» атмосфере (при низком содержании кислорода), причем меньше всего кислорода достается центральным клеткам. Белок MSCA1, экспрессирующийся в клетках пыльников, ведет себя тем активнее, чем меньше кислорода вокруг; если он достаточно активен, то клетка становится археспорием. Кроме того, дифференцируясь, археспории выделяют особый белок, MAC1, который заставляет окружающие их клетки стать вспомогательными (рис. 2).

Оставалось проверить это предположение на практике.

Вначале исследователи убедились, что уровень кислорода вокруг созревающих пыльников действительно очень низок (он составлял всего 1,2–1,4%, в то время как в окружающем нас воздухе кислорода около 21%). Причем всего через несколько дней, когда листья чуть разворачивались, уровень кислорода увеличивался уже до 5%.

Теперь надо было доказать, что гипоксия действительно влияет на развитие пыльников. Исследователи сделали это просто и изящно: в «кокон» из листьев они накачали либо кислород, либо азот (рис. 3), и посмотрели, как это скажется на развитии археспориев.


Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Рис. 3. Измерение уровня кислорода внутри листового «кокона» вокруг метелки с помощью игловидного зонда (A) и закачивание туда газа с помощью шланга (B). Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье Вирджинии Уолбот и Тимоти Келлихера Hypoxia Triggers Meiotic Fate Acquisition in Maize в Science


Как и ожидали ученые, при повышении уровня кислорода количество археспориев резко уменьшается, а при его понижении (когда пыльники оказываются в атмосфере азота) — наоборот, значительно увеличивается (рис. 4). При этом и в том и в другом случае археспории могут развиваться эктопически — то есть не там, где надо: в «окислительной» атмосфере повышенного кислорода они «сползаются» к центру и появляются даже на месте васкулатуры (сосудистой системы, расположенной в самой середине пыльника); в «восстановительной» атмосфере азота они, наоборот, «расползаются» по периферии и развиваются, например, на месте самых наружных эпидермальных клеток. Все это блестяще подтверждает первоначальную теорию о том, что именно уровень кислорода и определяет судьбу дифференцирующихся клеток пыльника.


Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Рис. 4. В «окислительной» атмосфере кислорода (Oxygen, верхняя строчка) археспориальных клеток гораздо меньше, чем в «восстановительной» атмосфере азота (Nitrogen, нижняя строчка). Цифры сверху обозначают длину пыльника в микрометрах (чем пыльник длинней, тем он старше). Сиреневые точки отмечают археспориальные клетки, белые треугольники — периклинальные (параллельные поверхности археспориальных клеток) деления, характерные для вспомогательных клеток. Изображение из обсуждаемой статьи Вирджинии Уолбот и Тимоти Келлихера Hypoxia Triggers Meiotic Fate Acquisition in Maize в Science


Однако тут возникает еще один вопрос: насколько общим является исследованный механизм? Ведь созревающие пыльники «прячутся» в листовом коконе отнюдь не у всех растений. Если другие растения тоже используют низкий уровень кислорода для дифференциации клеток пыльников, то им придется искусственно устраивать этим пыльникам гипоксию. Как они это делают (и делают ли вообще)? Будем надеяться, что дальнейшие исследования найдут ответ на этот вопрос.

Источники:
1) Timothy Kelliher, Virginia Walbot. Hypoxia Triggers Meiotic Fate Acquisition in Maize // Science. V. 337. P. 345–348.
2) Clinton Whipple. Defining the Plant Germ Line—Nature or Nurture? // Science. V. 337. P. 301–302.

Вера Башмакова


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Асимметричное деление стволовых клеток сопровождается сортировкой гистонов

Стволовые клетки способны к асимметричному делению (одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам). Американские биологи обнаружили, что при

Экзосомы опухолей, страдающих от гипоксии, стимулируют рост сосудов и миграцию клеток

Экзосомы (мембранные пузырьки), выделяемые опухолевыми клетками, позволяют определить степень гипоксии в опухоли и сделать предсказание об ее агрессивности. Оказалось, что экзосомы из страдающих от

Для успешного размножения мышам достаточно из Y-хромосомы всего двух генов

Исследователи из Гавайского университета продемонстрировали, что половые клетки самцов мышей, имеющих лишь два гена из всей Y-хромосомы, можно успешно использовать для искусственного оплодотворения.

Остеоцит в искусственном матриксе

На этой фотографии, сделанной при помощи сканирующего электронного микроскопа, запечатлен черепной остеоцит — клетка костной ткани позвоночных животных...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Камеры заднего видаКалькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияЭкстрасенсы помогают следствию в раскрытии преступленийВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиСамостоятельные путешествия, что важно знатьНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной диск