Исследование раскрывает, как растения балансируют адаптивность клеток кожи с стабильностью половых клеток

от

Мутации способствуют эволюции, но они также могут быть рискованными. Новое исследование, проведённое биологами растений из Калифорнийского университета в Дэвисе, опубликовано 10 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences. В нём показано, как растения контролируют частоту мутаций в различных стволовых клетках, чтобы сбалансировать адаптивность с безопасностью и стабильностью. Результаты имеют значение для селекции некоторых наиболее важных в мире плодовых и овощных культур, таких как картофель и бананы.

Основные выводы исследования

Исследователи показали, что мутации в ДНК накапливались в стволовых клетках, которые производят клетки кожи растения, в 4,5 раза чаще, чем в стволовых клетках, которые производят яйцеклетки и сперматозоиды.

Это подчёркивает, как растения отдают приоритет поддержанию стабильного генома для своего потомства, допуская при этом большую гибкость и адаптивность в других типах клеток и, соответственно, во взрослых растениях.

«Мутации стимулируют изменчивость, а изменчивость питает как эволюцию, так и нашу способность как селекционеров растений создавать более качественные культуры», — сказал Лука Комай, заслуженный профессор биологии растений и старший автор исследования. «Наличие многоуровневой архитектуры стволовых клеток позволяет растениям точно регулировать частоту мутаций в разных клетках, чтобы оптимизировать свой успех и успех своего потомства».

Слои в апикальной меристеме

В то время как у людей стволовые клетки хранятся в костном мозге, растения несут кластер стволовых клеток на кончиках своих побегов, называемый «апикальной меристемой». Эта куполообразная структура состоит примерно из 10 стволовых клеток, расположенных в трёх слоях (L1, L2 и L3), которые отвечают за производство всех новых тканей растения: от стеблей, листьев и корней до кожи растения, сосудистой системы и гамет (сперматозоидов и яйцеклеток).

«Почему у цветковых растений в апикальной меристеме разные слои, точно не известно, но одна из возможностей заключается в том, что эти слои обеспечивают гибкость для управления различными процессами по-разному, например, накоплением мутаций в разных частях растения», — сказал Комай.

Только стволовые клетки в слое L2 производят гаметы, а это значит, что при половом размножении растений их потомство наследует только мутации L2. Напротив, растения, которые размножаются клониально или «вегетативно» — например, через луковицы, побеги или отпрыски — могут накапливать и передавать мутации из всех трёх слоёв.

«Многие из наиболее важных в мире культур — картофель, банан, виноград, клубника и маниока — могут размножаться семенами, но выращиваются вегетативно из стеблей, корней или клубней, что позволяет мутациям накапливаться с течением времени», — сказал первый автор Кирк Амандсон.

Дальнейшие исследования

Чтобы понять, как накапливаются мутации в вегетативно размножаемых культурах, исследователи изучили два сорта картофеля, Desiree и Red Polenta, которые размножались клониально более 50 лет, накапливая при этом мутации. Для сравнения частоты мутаций в разных слоях апикальной меристемы они изолировали отдельные стволовые клетки из каждого слоя и вырастили их для получения растений, полученных исключительно из клеток L1, L2 или L3.

Удивительно, но они обнаружили, что слой L3 почти полностью отсутствовал в апикальных меристемах в листьях растений, потому что он был захвачен и заменён клетками L2. Когда они сравнили клетки L1 и L2, они обнаружили, что слои накопили разные наборы мутаций. Для обоих сортов картофеля клетки L1 накопили гораздо больше мутаций по сравнению с клетками L2 (в 4,5 раза больше у картофеля Desiree и в 1,6 раза больше у Red Polenta).

Поскольку клетки L2 отвечают за производство гамет растения, эта разница говорит о том, что растения отдают приоритет поддержанию стабильности генома в своих гаметах и потомстве, что является более безопасным вариантом, поскольку большинство мутаций не приносят пользы. Однако может быть и польза от более высокой частоты мутаций в слое L1, говорит Комай, потому что клетки L1 дают начало «коже» растения.

«Растения взаимодействуют с окружающей средой через свою кожу, поэтому более высокая адаптивность в этих клетках может позволить им быстрее адаптироваться к меняющимся аспектам окружающей среды, таким как патогены и травоядные животные», — сказал Комай.

Разница в мутациях в клетках L1 и L2 важна для растениеводства, потому что генетически модифицированные растения обычно получают путём редактирования или вставки ДНК в одну клетку растения, которую затем выращивают в новое растение. Поскольку эти генетически модифицированные растения возникают из одной клетки одного слоя апикальной меристемы, им может не хватать полезных мутаций, присутствующих в других слоях.

«С точки зрения биотехнологии исследователи должны знать, что при трансформации клонального растения есть вероятность потери важных признаков, поскольку ваш сорт химеричен», — сказал Комай. «В будущем мы хотели бы выяснить, как мы можем контролировать этот процесс».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте