Исследователи из Центра Джона Иннеса и Института Эрлхэма разрабатывают передовые методы визуализации отдельных клеток, которые могут позволить повысить урожайность пшеницы во всем мире. В фокусе их внимания – давний вопрос, который не дает покоя исследователям пшеницы: почему зерна в нижней части колоса не достигают полного размера по сравнению с зернами, расположенными выше?
В предыдущих исследованиях анализ тканей пшеницы проводился в целом (с использованием целых фрагментов ткани, полученных в результате препарирования), что ограничивало разрешение изображений и увеличивало вероятность получения нечетких результатов.
В новом исследовании, опубликованном в журнале The Plant Cell, участники коллектива применили пространственную транскриптомику — мощную, перспективную технологию, позволяющую визуализировать ткани на уровне отдельных клеток непосредственно в растении, что дает возможность наблюдать за ними в контексте их расположения в организме.
Данная методика сопряжена со значительными трудностями, поскольку растения имеют очень прочные клеточные стенки и склонны к флуоресценции, которая затрудняет получение результатов. Несмотря на эти сложности, исследовательская группа успешно картировала экспрессию 200 генов в наборе колосьев пшеницы на разных стадиях развития.
Результаты исследований команды выявляют совершенно разные закономерности экспрессии в разных частях колоса, и эта информация поможет ответить на вопрос, почему базальные колоски (структуры у основания колоса) часто образуют лишь рудиментарные структуры вместо зерна, пригодного для сбора урожая, несмотря на то, что они формируются первыми в процессе развития.
2,5 миллиарда человек зависят от пшеницы как источника пищи, и по мере роста мирового населения ожидается, что спрос вырастет более чем на 60% к 2050 году. Это исследование, предлагающее схему формирования колоса пшеницы, будет иметь решающее значение для повышения урожайности пшеницы, поскольку ученые во всем мире стремятся увеличить продуктивность этой культуры.
Ключевым приоритетом было обеспечение открытого доступа к данным и их доступности в качестве ресурса для будущих исследований и промышленности. Для этого команда создала новую платформу, где исследователи со всего мира могут получить доступ к этим результатам и использовать их в своей работе.
В основе этого научного успеха лежит командная работа. Соавтор исследования Эшли Листер, старший научный сотрудник Института Эрлхэма, максимально использовала потенциал платформы пространственной транскриптомики Vizgen MERSCOPE™ для создания протоколов наблюдения за экспрессией генов в тканях пшеницы.
Она сказала: «Многие методы, которые я использовала в этой статье, ранее применялись только к млекопитающим, но, расширив технические возможности для работы с видами, не являющимися модельными, мы сможем ответить на более широкий круг исследовательских вопросов. Используя пространственную транскриптомику в развивающемся колосе пшеницы, мы можем разработать стратегии обеспечения глобальной продовольственной безопасности».
Соавтор статьи, аспирантка Центра Джона Иннеса Кэти Лонг, подготовила образцы и руководила анализом данных. Подготовка образцов включала в себя ежедневное препарирование до ста растений и тщательное выравнивание крошечных колосьев пшеницы в форме, которая затем замораживалась в блоки, после чего из них изготавливались срезы толщиной 10 микрон для анализа с помощью прибора Vizgen MERSCOPE. Она пояснила: «Несмотря на сложности, связанные с особенностями растительных тканей, нам удалось успешно картировать экспрессию 200 генов в колосьях пшеницы с клеточным разрешением. Эта работа предоставляет исследователям ценные данные об экспрессии генов, а также способствует более широкому внедрению пространственных методов благодаря нашим оптимизированным методам».
Ткань отдельного цветка пшеницы, масштаб 100 мкм. Синий цвет обозначает флуоресцентное окрашивание ДНК внутри ядер. Разноцветные пятна представляют разные гены из панели из 200 зондов, экспрессирующиеся в своих субклеточных локализациях с помощью метода MERFISH на платформе Vizgen MERSCOPE™ Института Эрлхэма.
Доктор Иэн Маколей, руководитель группы в Институте Эрлхэма, сказал: «Это исследование — яркий пример того, как опыт и инфраструктура, которые мы создали в рамках наших платформ для анализа отдельных клеток и пространственной транскриптомики, могут поддерживать широкий спектр исследований, проводимых в научно-исследовательском парке Норвича. Методы пространственной транскриптомики обладают огромным потенциалом в науках о растениях, и было приятно наблюдать за тем, как Эшли и Кэти развивают удивительное сотрудничество, которое привело к получению таких прекрасных данных».
Профессор Кристобаль Уауи, директор Центра Джона Иннеса и ведущий автор исследования, сказал: «Это исследование — прекрасный пример эффективности наших межинститутских программ, которые позволяют нам взаимодействовать между организациями и дисциплинами, отвечая на более сложные вопросы, чем те, которые мы могли бы решить в одиночку. Представляя генетический состав пшеницы в новом свете и делая эти новые ресурсы доступными для других, мы открываем новые возможности для мирового сообщества исследователей пшеницы и ученых-ботаников».
Источник: John Innes Centre.
Фотографии предоставлены: Эшли Листер, Институт Эрлхэма, и Кэти Лонг, Центр Джона Иннеса.
Заглавное изображение – целый развивающийся колос пшеницы, масштаб 1 мм. Синий цвет обозначает флуоресцентное окрашивание ДНК внутри ядер. Различные цветные пятна показывают экспрессию генов, обнаруженную с помощью зондов в методе MERFISH на платформе Vizgen MERSCOPE ™ Института Эрлхэма.
