Чем больше ученые узнают о растениях, тем очевиднее становится сложность селекционной работы. Например, разбирая картофель на молекулярном уровне, исследователи узнали, почему передовые методы биоинженерии не приводят к успеху.
В то время как у людей стволовые клетки, носители информации, хранятся в костном мозге, растения несут скопление стволовых клеток на кончиках побегов, называемое «апикальной меристемой». Эта куполообразная структура состоит примерно из 10 стволовых клеток, расположенных в три слоя (L1, L2 и L3), которые отвечают за образование всех новых тканей растения: от стеблей, листьев и корней до кожицы, сосудистой системы и гамет (сперматозоидов, спермиев и яйцеклеток).
«На самом деле неизвестно, почему у цветковых растений апикальная меристема состоит из разных слоёв, но одна из возможностей заключается в том, что эти слои обеспечивают гибкость, позволяющую контролировать различные процессы разными способами, например, накопление мутаций в разных частях растения», - рассказывает Лука Комаи, выдающийся профессор биологии растений из Калифорнийского университета в Дэвисе и старший автор исследования в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Только стволовые клетки в слое L2 производят гаметы, что означает, что при половом размножении растений их потомство наследует только мутации L2. В отличие от этого, растения, размножающиеся клонально или «вегетативно», например, луковицами, усиками или отростками, могут накапливать и передавать мутации из всех трёх слоёв.
«Многие из важнейших сельскохозяйственных культур в мире — картофель, банан, виноград, клубника и маниока — могут размножаться семенами, но их выращивают вегетативно из стеблей, корней или клубней, что позволяет мутациям накапливаться с течением времени. Мы задались вопросом, как быстро и какие виды мутаций накапливаются. Более глубокое понимание процесса накопления мутаций может проложить путь к использованию или минимизации мутаций для улучшения вегетативно размножаемых культур», — сказал первый автор Кирк Амундсон, работавший над исследованием в качестве аспиранта, а затем постдокторанта в лаборатории Комаи, а сейчас являющийся постдокторантом в Массачусетском университете в Амхерсте.
Чтобы понять, как мутации накапливаются в растениях, размножаемых вегетативно, исследователи изучили два сорта картофеля, Дезире (Desiree) и Ред Полента (Red Polenta), каждый из которых клонировался более 50 лет, накапливая мутации. Чтобы сравнить частоту мутаций в разных слоях апикальной меристемы, ученые изолировали отдельные стволовые клетки из каждого слоя и вырастили их, получив растения, полученные исключительно из клеток L1, L2 или L3.
К своему удивлению, они обнаружили, что слой L3 практически полностью отсутствовал в апикальных меристемах листьев растений, поскольку был захвачен и замещен клетками L2. Сравнив клетки L1 и L2, они обнаружили, что в этих слоях накопились разные наборы мутаций. У обоих сортов картофеля клетки L1 накопили гораздо больше мутаций, чем клетки L2 (в 4,5 раза больше у картофеля сорта Дезире и в 1,6 раза больше у картофеля сорта Ред Полента).
Поскольку клетки L2 отвечают за производство гамет растения, это различие говорит о том, что растения в первую очередь заботятся о сохранении геномной стабильности в своих гаметах и потомстве, что более вероятно, поскольку большинство мутаций не приносят пользы. Однако, по словам Комаи, более высокая частота мутаций в слое L1 может иметь и преимущество, поскольку клетки L1 дают начало «кожице» растения.
«Растения взаимодействуют с окружающей средой через кожицу, поэтому более высокая приспособляемость этих клеток может позволить им быстрее адаптироваться к изменяющимся аспектам окружающей среды, таким как патогены и травоядные животные», — сказал Комаи.
Это очень поучительная история для биотехнологов-селекционеров, подчеркивают авторы работы. Различия в мутациях в клетках L1 и L2 важны для биотехнологии растений, поскольку генетически модифицированные растения обычно получают путём редактирования или вставки ДНК в отдельную растительную клетку, из которой затем выращивают новое растение. Поскольку эти генетически модифицированные растения возникают из одной клетки одного слоя апикальной меристемы, у них могут отсутствовать полезные мутации, присутствующие в других слоях.
«С точки зрения биотехнологии, исследователи должны понимать, что при трансформации клонированного растения существует вероятность потери важных признаков, поскольку ваш сорт химерный. В будущем мы хотели бы выяснить, как можно контролировать этот процесс», — сказал Комаи.
Источник: UC Davis. Автор: Лиана Уэйт.