Исследовательская группа под руководством Нагойского университета в Японии обнаружила новую ткань в растениях, которая необходима для формирования семян. Их открытие представляет собой первую новую растительную ткань, обнаруженную за 160 лет, а выводы открывают новое поле для исследований и уже продемонстрировали практическое применение, при этом команда увеличила урожайность важных культур, включая рис.
С 2005 года ученые знали, что оплодотворение необходимо для того, чтобы семенное тело, известное как гипокотиль, получало питательные вещества от «материнских» частей растения. Понимание того, как растения обнаруживают успешное оплодотворение, важно для максимизации урожайности сельскохозяйственных культур во время селекции.
Исследовательская группа под руководством Рюсиро Касахары и Мичитаки Нодагучи сделала открытие новой ткани случайно. Касахара окрашивал семена, чтобы отслеживать отложение каллозы, воскообразного вещества, обычно изучаемого из-за его связи с оплодотворением, чтобы проверить результаты предыдущего исследования. Эта работа была опубликована в журнале Current Biology.
Изучая окрашенные области, Касахара заметил нечто неожиданное. «Растения оплодотворяются путем внедрения пыльцевой трубки, поэтому большинство ученых интересует только место, где это происходит. Однако мы обнаружили сигналы и с противоположной стороны. Никто не смотрел туда, куда смотрел я. Я помню, как удивился, особенно когда мы поняли, что этот сигнал был особенно сильным, когда оплодотворение не удалось, - рассказывает исследователь.
Дальнейший анализ выявил отличительную структуру ткани, похожую формой на кролика, которая функционирует как шлюз. Эта структура, названная «Шлюзом Касахара» в честь ее первооткрывателя, представляет собой первую новую растительную ткань, идентифицированную с середины 19-го века.
Сигнал, который наблюдал Касахара, возник в результате отложения каллозы, которое блокирует поток питательных веществ и гормонов в неоплодотворенные семена. Закрытие шлюзов привело к тому, что семена не получили питательных веществ и погибли. Исследователи назвали это «закрытым состоянием». С другой стороны, когда происходит оплодотворение, гипокотиль обнаруживает этот успех и растворяет каллозу, позволяя питательным веществам поступать в семена и обеспечивая рост. Исследователи назвали это «открытым состоянием».
«Когда поток питательных веществ сравнивали между успешно оплодотворенными и неудачными эмбрионами, было обнаружено, что приток питательных веществ наблюдался только у успешных эмбрионов, тогда как у неудачных он был полностью заблокирован, - пояснил Касахара. - Это ограничивает количество ресурсов, тратящихся на нежизнеспособные семена».
Способность шлюза переключаться между открытым и закрытым состояниями предполагает генетическую регуляцию. Исследователи исследовали оплодотворенные гипокотиль растений, чтобы определить потенциальные генетические средства контроля. Они идентифицировали ген под названием AtBG_ppap, который был активирован исключительно в оплодотворенных гипокотилях, и определили его роль в растворении каллозы. Когда они модифицировали гипокотиль для сверхэкспрессии AtBG_ppap, шлюз оставался постоянно в открытом состоянии, увеличивая поглощение питательных веществ.
«Это привело нас к осознанию того, что сохранение шлюза постоянно открытым может увеличить семена. Когда мы проверили эту теорию с семенами риса, мы получили семена, которые были на 9% больше. С семенами других видов нам удалось добиться увеличения на целых 16,5%», - сказал Касахара.
Отложение каллозы уменьшается от A до C, но увеличивается от D до E. (A–C) Семязачатки дикого типа на 1 день после опыления (DAP) (A), 2 DAP (B) и 3 DAP (C). (D–F) Генетически модифицированные семязачатки на 1 DAP (D), 2 DAP (E) и 3 DAP (F). Автор: Рюсиро Касахара.
Выводы представляют собой значительный прогресс в улучшении семян в селекции растений. Поддержание постоянно открытого состояния может существенно повысить урожайность важных культур.
Касахара также считает, что эти результаты позволят лучше понять эволюцию растений, в частности, почему цветковые растения (покрытосеменные) доминируют в современной флоре.
«Поскольку неоплодотворенный гипокотиль изначально не может стать семенем, его кормление было бы «расточительным» для растения. Поэтому покрытосеменные растения могли выживать до наших дней, питая тело эмбриона, используя этот механизм, чтобы гарантировать, что они отдают ресурсы только оплодотворенным семенам», - пояснил он.
Источник: Nagoya University.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.