Исследователи выявили новый механизм, посредством которого белок в ячмене поддерживает женскую фертильность и может помочь обеспечить урожайность в будущем.
Профессор Мэтью Такер из Университета Аделаиды, временно исполняющий обязанности директора Научно-исследовательского института Уэйта, возглавил группу, которая обнаружила, что белок MADS31 функционирует в ячмене и мягкой пшенице, создавая безопасную среду для семян.
«Как и детеныши у млекопитающих, семена ячменя появляются после оплодотворения женских половых клеток, находящихся глубоко в репродуктивных органах, - говорит профессор Такер. - У ячменя женский репродуктивный орган называется пестиком; он начинает готовиться к оплодотворению примерно за восемь недель до дня оплодотворения».
Исследование, опубликованное в журнале Nature Plants, показало, что в ходе этого подготовительного процесса образуется одна женская зародышевая клетка, которая подпитывается окружающими нуцеллярными клетками до оплодотворения.
У растений женская зародышевая линия покрыта несколькими слоями спорофитной (соматической) ткани, обеспечивая различные источники регуляторных сигналов для развития зародышевой линии. Сигналы включают в себя клеточные автономные факторы, действующие только в зародышевой линии и неклеточно-автономные пути, действующие от нуцеллуса, кожных покровов, фуникула и сосудистой системы.
С точки зрения локального контроля, нуцеллус (от латинского nucella – «орешек») – это недолговечная ткань в центральной части, или ядре, семяпочки семенных растений, которая представляет собой ближайший источник соматической информации для координации прогрессии зародышевой линии. Нуцеллус начинает дегенерировать сразу после оплодотворения и, таким образом, обеспечивает питательными веществами молодой зародыш и растущий эндосперм, оставляя полость, в которой растут зародыш и эндосперм.
Хотя нуцеллус присутствует у всех покрытосеменных семяпочек, размер, морфология и развитие его значительно различаются у разных видов. У модельного растения Arabidopsis (резуховидка Таля), например, нуцеллус выделяется во время раннего роста семяпочек, но быстро деградирует и занимает лишь небольшую часть семяпочки после мейоза, оставляя место для покровов, непосредственно окружающих зародышевый мешок.
Напротив, семяпочки злаков демонстрируют более крупный многослойный нуцеллус, который окружает зародышевую линию до оплодотворения, а это означает, что покровы не имеют прямой связи с зародышевым мешком.
Ранее ученые показали, что нуцеллус ячменя может быть далее дифференцирован на две зоны, внутренний нуцеллус и внешний нуцеллус, на основе их положения относительно зародышевой линии, их клеточной морфологии и организации клеточной стенки.
MADS31 представляет собой белок Bsis MADS-box, который преимущественно экспрессируется во внутреннем нуцеллусе.
«Мы обнаружили, что MADS31 предотвращает экспрессию генов семян в семяпочке до момента оплодотворения, что позволяет материнскому растению создать благоприятную среду, обеспечивающую семенам наилучшие шансы на выживание, - сказал профессор Такер. - Хотя многие исследования были сосредоточены на мужской пыльце, учитывая ее чувствительность к стрессу окружающей среды, это исследование проливает новый свет на часто упускаемую из виду женскую сторону воспроизводства. Успешное развитие зерна требует как здоровой мужской, так и женской зародышевой линии».
Научный сотрудник университета и первый автор статьи доктор Сюцзюань Ян сказал, что о генах, участвующих в формировании женских тканей ячменя, известно немного.
«Зерновые культуры, такие как ячмень и пшеница, производят семяпочки и семена, которые существенно отличаются от тех, которые встречаются у модельных «исследовательские растений», таких как Arabidopsis, - сказал доктор Ян. - Кроме того, растения зерновых культур сложнее исследовать на ранних стадиях полового размножения, поскольку их цветковые органы находятся глубоко внутри растения. Это затрудняет поиск женских особей для улучшения урожая. Исследование также показывает, что MADS31 включается в клетках, которые регулируют транспорт сахара и аминокислот в зерно, и контролирует вторичный набор генов, которые могут быть направлены в будущих исследованиях для оптимизации формирования и состава зерна, что повышает ценность программ селекции зерновых культур. Австралийским селекционерам и производителям сельскохозяйственных культур нужна новая генетика для защиты урожая в условиях меняющегося климата и повышения урожайности в годы, когда условия оптимальны».
Источник: University of Adelaide. Автор: Рианнон Кох.
На фото - развития ячменя от пестика до зерна. Источник: University of Adelaide.