Растения, как известно, остаются там, где проросли, - во власти внешних угроз, таких как температура, засуха и микробная инфекция. Чтобы компенсировать свою неспособность подняться и двигаться при возникновении опасности, многие растения выработали способы защиты, изменяя свою физиологию, например, создавая броню вокруг частей своего тела и корней, называемую перидермой. Однако, поскольку биологи растений, изучающие развитие тканей, в основном рассматривают молодые растения, развитие перидермы в более позднем возрасте остается относительно неизученным.
Исследователи Института Солка представили первый всеобъемлющий атлас экспрессии генов перидермы растений на уровне отдельных клеток. Атлас предоставляет новую информацию о различных типах клеток, составляющих перидерму, и о том, какие конкретные гены и биологические процессы контролируют их развитие.
Это включает в себя важные сведения о клетках феллемы, которые богаты суберином - молекулой, которая помогает захватывать и хранить избыток углерода из атмосферы в течение длительного времени.
Теперь ученые могут использовать эту информацию для стимуляции роста защитной перидермы у растений, сталкивающихся с экологическим стрессом из-за изменения климата. Они также потенциально могут усиливать гены роста клеток феллемы, что позволит производить растения с улучшенными способностями к улавливанию и хранению углерода, что является основной целью инициативы Института Солка по использованию ресурсов растений. Результаты опубликованы в журнале Developmental Cell 9 января 2025 года.
«Растения играют решающую роль в улавливании углерода из атмосферы и сохранении его в почве, - говорит профессор Вольфганг Буш, старший автор исследования, директор Инициативы по использованию растений и заведующий кафедрой ботаники имени Хесса в Университете Солка. - Защитный внешний слой корней растений, называемый перидермой, состоит из множества клеток, которые могут хранить углерод в форме, которая будет очень долговечной. Создав подробную карту того, как формируются и созревают эти корневые клетки, мы сможем лучше понять и потенциально стимулировать этот процесс, чтобы помочь растениям удерживать больше углерода в очень прочных формах. Таким образом, мы сможем создать более устойчивые растения с более крепкими корнями, которые также помогут нам бороться с изменением климата».
Когда растение впервые укореняется, оно посвящает себя первичному росту, фокусируясь на длине новых корней. С наступлением зрелости наступает вторичный рост, смещающий фокус на утолщение существующих корней и создание перидермальной брони. Эта защитная перидерма содержит клетки феллемы, феллогена и феллодермы, каждая из которых имеет свои особые обязанности и генетические профили, ранее еще не описанные в предыдущих исследованиях.
Из всех этих клеток перидермы команду больше всего интересовали клетки феллемы из-за их высокого содержания суберина. Суберин занимает центральное место в инициативе «Salk`s Harnessing Plants Initiative», в рамках которой ученые оптимизируют растения, чтобы они служили естественным и устойчивым методом секвестрации углерода. К сожалению, углерод, хранящийся в листьях и стеблях, может быстро деградировать и легко снова выбрасываться в атмосферу.
Напротив, суберин в корнях растений может удерживать углерод глубоко в почве в течение длительного времени. Также было показано, что суберин делает растения более устойчивыми к корневой гнили, и это указывает на то, что он выполняет защитную функцию в дополнение к хранению углерода.
Предыдущие исследования перидермы состояли из объемных анализов, которые, несмотря на предоставление ценной информации, не могли уловить специфику типа клеток.
Чтобы исправить это, команда Солка применила современные методы секвенирования отдельных клеток, которые могли захватить отдельные генетические профили каждого типа клеток перидермы. Они также отслеживали, как изменялась экспрессия генов по мере развития каждого типа клеток в корнях модельного растения из семейства горчичных резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana).
«Такой уровень детализации данных о зрелых растениях в динамике по времени никогда ранее не достигался, - говорит первый автор Шарлотта Миллер, научный сотрудник лаборатории Буша. - В других исследованиях измельчались целые корни и изучались в больших количествах, но анализ отдельных клеток позволил нам понять генетическое развитие каждого отдельного типа клеток в перидерме. Это означает, что мы можем быть гораздо более точными и эффективными в проектировании крепких, устойчивых растений, борющихся с изменением климата».
Секвенирование отдельных клеток во времени, проведенное исследователями, показало, что развитие клеток феллемы можно разделить на несколько генетически различных, но взаимосвязанных фаз. Это поэтапное развитие было отмечено ключевыми генами, такими как MYB67, который, как обнаружила группа, играет большую роль в регуляции процесса развития.
Собирая воедино генетические профили клеток на разных этапах их развития, команда надеется в конечном итоге определить ген или набор генов, которые можно было бы использовать для того, чтобы побудить растения производить больше клеток феллемы, содержать больше суберина и захватывать более прочно углерод.
Атлас перидермы также дал важные сведения о других нефеллемных клетках. Эти данные помогут прояснить переходные стадии развития перидермы, например, как феллогеновые клетки дают начало феллемовым клеткам. Миллер особенно рада продолжить изучение этих феллогеновых клеток, отмечая, что их способность, подобная стволовым клеткам, дифференцироваться в другие типы клеток на столь поздней стадии развития растения, удивительна.
Что касается Буша, он с нетерпением ждет возможности увидеть, как клетки, содержащие суберин, закрывают отверстия, образованные новыми боковыми корнями, - довольно разрушительный процесс, при котором новые корни прорываются через оболочку растения.
Эти восприимчивые, богатые субарином клетки, возможно, не являются частью перидермы, но более глубокие знания о типах клеток перидермы и содержании суберина могут помочь в будущем понять этот процесс образования корней, когда корневые системы интенсивно разветвляются, избегая при этом инфицирования.
«Наша работа не только развивает науку о растениях, но и открывает путь к созданию более устойчивых культур и улучшению связывания углерода корнями растений, предлагая решения как сельскохозяйственных, так и климатических проблем, что является ключевой целью инициативы Солка «Использование растений»», - заключил Буш.
Источник: Salk Institute.
На фото вы видите часть корня растения, демонстрирующая перидерму и ее клетки феллемы, захватывающие углерод. Источник: Институт Солка.
