Большинство семян растений обладают особой способностью почти полностью высыхать, сохраняя при этом жизнеспособность. В то время как большинство живых клеток погибают, теряя 90% влаги, клетки семян переходят в биологическое состояние покоя. При содержании влаги менее 10% — подобно изюму по сравнению с виноградом — они превращаются в маленькие капсулы времени и могут оставаться в состоянии покоя десятилетиями, пока их не разбудят благоприятные условия окружающей среды.
Затем они не должны упустить подходящий момент для прорастания. Для этого «энергетические станции клеток», необходимые для обеспечения энергией — митохондрии — должны как можно быстрее возобновить свою работу.
Считается, что в зрелых сухих семенах большинства растений классические зрелые митохондрии деградируют или переходят в неразвитую форму — протомитохондрии. В процессе созревания и обезвоживания семени органеллы теряют свои внутренние складки (кристы), их мембранная система упрощается, а дыхательная активность падает практически до нуля. Это необходимо, чтобы защитить клетку от окислительного стресса во время глубокого покоя
Группа ученых из университетов трех немецких вузов (Мюнстерского университета, Ганноверского университета им. Лейбница и Мартина-Лютера Университета Галле-Виттенберг) опубликовала революционное исследование, в котором они полностью опровергли старое представление о «неразвитых протомитохондриях» в сухих семенах.
Благодаря передовым методам криофиксации (трансмиссионной электронной микроскопии) и протеомики на примере модельного растения Arabidopsis thaliana ими доказано, что митохондрии находятся в режиме «готовности» в сухих семенах растений. Их сложная внутренняя структура, включающая внешнюю и внутреннюю мембраны, а также многочисленные складки внутренней мембраны, уже полностью развита, а не находится лишь на неполной предварительной стадии, как предполагали предыдущие исследования. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology .
Дело в том, что предыдущие десятилетия ученые фиксировали ткани семян химическим способом для обычных микроскопов. Этот процесс повреждал хрупкие, обезвоженные мембраны сухих органелл, из-за чего на снимках они выглядели как пустые пузырьки («протомитохондрии»). Новая технология ультрабыстрой заморозки позволила увидеть их истинную структуру без повреждений.
Структурная и функциональная зрелость митохондрий лежит в основе их способности быстро функционировать — в течение нескольких минут — и запускать так называемое клеточное дыхание. При этом сеянец использует часть своих запасов углеводов, белков и жиров для выработки энергии, необходимой для роста. Как показывает исследование, митохондрии семян уже содержат полный набор белков, необходимых сеянцу для клеточного дыхания. Это позволяет зародышу растения обеспечивать себя энергией с самого первого момента прорастания.
Консорциум экспертов по митохондриям растений также изучил начало клеточного дыхания у других видов растений, включая рапс, просо и томат. Наблюдения показывают, что быстрая активация зрелых митохондрий, запускаемая первым поглощением воды семенем, широко распространена у цветковых растений с сухими («ортодоксальными») семенами. Это свойство, несомненно, оказалось ценным и эволюционно консервативным.
«Мы выявили различные белки, которые способствуют выживанию митохондрий в сухой фазе до момента прорастания без повреждений. Если будущие исследования смогут детально прояснить их взаимодействие, могут открыться новые возможности для создания семян сельскохозяйственных культур, способных прорастать дольше и быть более устойчивыми к неблагоприятным условиям хранения».», — сказала профессор Ирис Финкемайер из Института биологии растений и биотехнологии Мюнстерского университета.
Исследовательская группа использовала целый ряд современных аналитических и молекулярно-генетических методов, включая методы микроскопии высокого разрешения, масс-спектрометрию и другие методы анализа белков (протеомику).
Источник: University of Münster.
На фото вы видите три семени маша во время прорастания. Автор фото: Университет Мюнстера — Беттина Россманн/Лаборатория энергетической биологии растений.
