Семейство злаковых (Gramineae или травы) демонстрирует большое разнообразие архитектур соцветий, которые развились из предкового сложного колоса с метельчатыми ветвями на главной оси соцветия (рахис).
Несколько характерных для метелок ветвящихся порядков постепенно упрощались в ходе эволюции, создавая разнообразие современных травянистых соцветий.
Четкая архитектура травянистых соцветий зависит от зарождения и размещения новых меристем на флангах верхушечной меристемы побега, от размера, долговечности, идентичности и детерминированности меристемы.
Во время вегетативной фазы злак генерирует зачатки листьев в дистикусном виде. В ответ на внешние и внутренние сигналы верхушечная мерисистема побега преобразуется в меристему соцветия, которая может инициировать колоски непосредственно на рахисах у Triticeae, включая ячмень (Hordeum vulgare L.) и пшеницу (Triticum ssp.), или образуют первичные и вторичные ветви в Oryzeae (рис) и Andropogoneae (кукуруза и сорго).
Колосковые меристемы дают начало двум маленьким модифицированным прицветникам (чешуям), а затем переменному числу цветков, которые развиваются из цветковых меристем на короткой оси, называемой рахиллой. Соцветия несут листовидные леммы и палеи, которые заключают в себе видоизмененные лепестки, называемые лодикулами, а также половые органы, тычинки и плодолистики.
У ячменя мерисистема соцветия остается неопределенной и генерирует тройные колосковые меристемы до тех пор, пока запрограммированное развитие дегенерация верхушки до цветения не вызовет старение мерисистемы соцветия и смерть.
Колосковые мерисистемы разделяются на центральную колосковую меристему, окруженную двумя боковыми колосковыми меристемами. У двухрядных генотипов боковые колоски остаются стерильными и останавливаются до того, как органы цветка полностью разовьются.
Важно отметить, что даже близкородственные злаки, такие как зерновые культуры умеренного пояса пшеница и ячмень, различаются по архитектуре соцветий из-за различий в поведении меристемы и детерминированности.
У пшеницы рост соцветия останавливается с дифференциацией его детерминированной меристемы соцветия в колосковые меристемы, в то время как рахилла остается неопределенной, что позволяет формировать до 12 соцветий.
Команда исследователей под руководством профессора доктора Рюдигера Симона из Института генетики развития Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе идентифицировала сигнальный путь, который регулирует активность отдельных меристем ячменя. В журнале Nature Communications они сообщают, что небольшой пептид HvFCP1 взаимодействует с рецептором HvCLV1, локализованным на плазматической мембране, и таким образом контролирует рост меристем, что в конечном итоге определяет архитектуру соцветия.
Ученые исследовали, что происходит, когда гены, ответственные за формирование HvFCP1 или HvCLV1, мутируют. В этих случаях растения ячменя развивают увеличенные соцветия и стержни-рахиллы. Соцветия этих мутантов ячменя затем демонстрируют архитектуру, похожую на соцветия пшеницы - с образованием нескольких цветков (а позднее и зерен) из одного стержня.
В своем исследовании авторы исследования объединили анализ функции гена на клеточном уровне с подробной фенотипической характеристикой с использованием сканирующей электронной микроскопии и флуоресцентной микроскопии. Профессор Саймон подчеркивает: «Центр передовой визуализации (CAi) Университета Генриха Гейне является выдающимся учреждением, позволяющим проводить такого рода исследования».
Ведущий автор исследования, доктор Исайя Варданега, поясняет: «Наше открытие теперь позволяет нам перепроектировать соцветия злаков. Получив более точное представление, мы можем, например, увеличить количество зерен и тем самым способствовать росту сельскохозяйственного производства».
«Эта работа закладывает основу для новых, целенаправленных подходов к селекции. Наши знания о генетической регуляции архитектуры ячменя позволят быстрее создавать новые, высокоурожайные сорта с помощью редактирования генома», - заключил профессор Саймон.
Источник: Heinrich-Heine University Duesseldorf.
На фото слева направо: зрелое растение ячменя; сравнение соцветий дикого типа и мутантного ячменя HvCLV1; микроскопические изображения соцветий ячменя на ранних стадиях развития. Верхнее правое изображение было сделано с помощью сканирующего электронного микроскопа, а изображение под ним было получено с помощью конфокального микроскопа. На нем показано соцветие ячменя, формирующее флуоресцентную линию-репортер HvFCP1. Источник: HHU/Isaia Vardanega.
