Біологи в реальному часі поспостерігали за утворенням гамет рослин
Біологи змогли поспостерігати в режимі реального часу формування жіночого гаметофіту резуховидки Arabidopsis thaliana. Для цього вчені культивували сім'янки рослини в пробірці, позначили клітини гаметофіта флуоресцентними мітками і простежили за долею окремих клітин за допомогою флуоресцентної мікроскопії.
Робота опублікована в PLOS Biology.
У багатоклітинних організмах клітини різного типу сильно відрізняються один від одного. У кожній диференційованій клітині-багато властивих тільки для неї структур, які допомагають клітині виконувати її особливі функції. Для організму важливо, щоб диференціація кожної клітини відбулася в потрібний час і в потрібному місці. Однак рослинні молекулярні механізми, які допомагають клітині визначати її місцезнаходження, поки ще не дуже добре вивчені. Процес розвитку статевих клітин в жіночих гаметофітах рослини-приваблива модель для вивчення клітинної долі.
У жіночих гаметофітах покритонасінних рослин багато клітин, сильно відрізняються за своїми функціями. У модельній рослині Arabidopsis thaliana, одна мегаспора проходить через три раунди мітозу і утворює сім клітин з вісьмома ядрами: одну яйцеклітину, одну центральну двоядерну клітину, дві клітини-супутниці (синергіди) і три клітини-антипода. Успішність статевого розмноження всієї рослини залежить від правильного розвитку цих клітин. Властиві кожному типу цих клітин гени, які експресуються під час диференціації, вже встановлені для деяких рослин, в тому числі для Arabidopsis thaliana. Але для біологів залишається незрозумілим, як і коли клітини вирішують, що прийшов час для експресії цих генів і диференціації. Дослідження на мутантних рослинах показували, що існує сильна залежність між позицією ядра в клітині і клітинною долею. Однак така кореляція не обов'язково означає, що положення ядра визначає долю клітини.
Оскільки розвиток жіночого гаметофіта відбувається всередині маточки, воно приховане від очей спостерігачів, і досліджувати його формування раніше доводилося на фіксованих зрізах.
Біологи з Нагойського та Йокогамського міського університетів під керівництвом Дайске Куріхари (Daisuke Kurihara) розробили спосіб, який дозволив їм підглядати за формуванням клітин жіночого гаметофіту в Arabidopsis.
Вчені використовували описану ними ж систему для культивації насіннєвого зачатка in vitro – раніше її використовували для спостереження за раннім розвитком рослинного ембріона. Спочатку дослідники переконалися, що в таких умовах динаміка розвитку гаметофіту (тривалість клітинних поділів) не відрізняється від норми і показали, що таким чином можна спостерігати за гаметофітом до стадії запліднення.
Щоб поспостерігати за кожним типом клітин гаметофіту окремо, вчені змусили їх разом зі специфічними для кожного типу клітин генами експресувати флуоресцентні білки різних кольорів, а також позначили флуоресцентними білками плазматичні мембрани і ядра клітин. Таким чином, за допомогою флуоресцентної мікроскопії дослідники бачили в режимі реального часу, як і де відбувається поділ мегаспори, і коли включається експресія тих чи інших специфічних генів в клітинах.
Поява флуоресцентного сигналу, пов'язаного зі специфічними для яйцеклітин і клітин-антиподів генів
Вчені відзначили, що доля клітин визначається практично миттєво після їх формування під час поділу в залежності від положення ядра в клітині. Наприклад, маркери яйцеклітини або клітин-антиподів експресувалися вже через 1 годину 40 хвилин після поділу. А транскрипційний фактор, який вважається специфічним для клітин-синергід, крім самих синергід, спочатку (протягом першої години після формування клітин) експресувався і в яйцеклітині і центральній клітині. Потім флуоресцентний сигнал, пов'язаний з цим транскрипційним фактором, зник в "зайвих" клітинах, і залишився тільки в синергідах.
Оскільки транскрипційний фактор MYB98, який повинен був бути властивим тільки для синергід, виявився активним і в інших клітинах, дослідники вирішили детальніше вивчити його функції. Вчені провели аналіз експресії всіх генів клітин гаметофітів рослин дикого типу і з мутантним геном myb98 за допомогою РНК-секвенування. З'ясувалося, що myb98 в цілому впливає на експресію 392 генів в клітинах гаметофіта, і його відсутність не тільки змінює будову синергідних клітин, але і направляє їх розвиток за типом яйцеклітини.
Крім того, вчені помітили, що на схематичних зображеннях попередніх досліджень, вакуолі в клітинах гаметофітів зображені великими і по центру клітин. За спостереженнями авторів роботи, вакуолі в жіночих гаметофітах динамічно змінюють свою форму, так само, як і в вегетативних клітинах.
Флуоресцентна мікроскопія дозволяє вченим зазирнути не тільки в процеси розвитку клітин, але і простежити за динамікою окремих молекул в клітинах.
Також читайте:
- Американські науковці розробляють нові сорти рослин з глибоким корінням для порятунку планети
- Штучний інтелект навчився перевіряти сяйво насіння томата і моркви
- Швейцарські вчені розробили метод виробництва електрики з дерева
- Заявка про порятунок клімату і ґрунту стала несподіваним кроком від творців культур ГМО