Ученые открыли ранее неизвестный растительный механизм — и его влияние может быть огромным

Ученые обнаружили, что выход мейоза в арабидопсис Управляется ингибированием трансляции, опосредованным P-телом

Альберт Каиро, Карел Реха и их коллеги открыли ранее неизвестный механизм перепрограммирования экспрессии генов во время перехода, когда клетка к клетке дифференцируется. Механизм возникает в конце мейоза, специализированного клеточного деления, необходимого для полового размножения, и позволяет дифференцироваться зародышевым клеткам и пыльцевым зернам.

Этот механизм включает динамическую локализацию важных регуляторных компонентов во внутриклеточном конденсате, напоминающем капли жидкости. Этот процесс напрямую связан с производством семян и может предоставить новые способы получения более устойчивых культур, способных выдерживать суровые условия окружающей среды. Результаты были недавно опубликованы в престижном журнале наук.

Цветок полевой гусеницы запечатлен световым микроскопом. Предоставлено: Центрально-европейский технологический институт — Масариков университет.

Клетки не статичны. Они меняются от одного типа к другому. Активация определенного набора генов влияет на то, как клетки специализируются на выполнении определенных задач и когда они делятся или дифференцируются. Клеточные биологи, такие как Альберт Каиро и Карел Реха, используют ряд передовых научных методов для изучения точного мира растений. Клеточная биология в настоящее время переживает революцию, традиционная точка зрения на клеточную организацию расширяется до новых высот.

«Теперь мы знаем, что клетка содержит не только обычные, определяемые мембраной органеллы, но и многие молекулярные процессы ограничены менее специфичными для мембраны органеллами, также называемыми конденсаторами биомолекул (биоконденсаторами). За последние 10 лет значение этих биоконденсаторов возросло. «Мы вносим свой вклад в эту область, показывая, как особый тип биоконденсации образуется в конце мейоза и ингибирует синтез белка», — объясняет Альберт Каиро, первый автор этого исследования.

«Это, с одной стороны, завершает процессы мейоза, а с другой стороны, знаменует собой начало генетически другого поколения клеток», — добавляет Каиро. Но это еще не все. Исследовательская группа считает, что аналогичные механизмы действуют и в других организмах и клеточных структурах, включая дифференцировку клеток или реакцию на стресс.

Открытие сотрудников лаборатории Карела Рихи может иметь огромное общественное значение.

Альберт Каиро и Карел Риха. Предоставлено: Центрально-европейский технологический институт — Масариков университет.

«Мы живем в чрезвычайной климатической ситуации. Хотя растения могут выдерживать широкий спектр стрессов, включая высокие температуры и засуху, их рост и размножение могут быть серьезно нарушены. Это означает, что мы находимся в опасности значительного снижения урожайности, только когда урожай должен быть увеличен для удовлетворения потребностей человека. Вот почему исследования растений теперь должны быть приоритетом», — объясняет автор соответствующей статьи и руководитель исследовательской группы Карел Риха.

Основная задача лаборатории — пролить свет на основные биологические процессы, тесно связанные с размножением растений и образованием семян, которые во многих культурах приводят к урожайности.

Результаты исследований показывают, что биомолекулярные конденсаторы играют важную роль в плодородии растений, и их поведение, вероятно, связано со стрессом окружающей среды. Поэтому становится ясно, что наше открытие — это первый шаг в разработке новых решений, ведущих к устойчивому выращиванию сельскохозяйственных культур в экстремальных условиях», — объясняет Альберт Каиро.

Технические приемы, которые пришлось использовать команде, действительно впечатляют, и это исследование было опубликовано в наук Будьте уверены, что лаборатория Reha движется в правильном направлении.

Путь к открытию

Изучение мейоза на модельном растении. арабидопсис талийский Это особый вызов. Исследовательская группа сосредоточилась на редких и необычных клетках, спрятанных в крошечных цветочных бутонах размером 0,1-0,4 мм. Причем фазы мейотического деления, на которых сосредоточено исследование, протекают быстро — весь процесс занимает от пяти до шести часов. Поэтому поймать его непросто. Чтобы изучить этот процесс, исследовательская группа должна использовать новейшие технологии, а также проявить творческий подход и воображение.

Команде Рихи пришлось создать условия для живой визуализации мейоза в другом органе (части тычинки, содержащей пыльцу). Команда использовала передовую микроскопию и стала одной из двух лабораторий в мире, способных напрямую контролировать мейоз растений. Еще одним ключевым опытом, полученным командой, было освоение техники протопластов. Протопласты представляют собой изолированные растительные клетки, лишенные окружающей их клеточной стенки, что позволяет легко генетически манипулировать ими и визуализировать их под микроскопом. Этот метод позволил команде решить некоторые проблемы быстрее и эффективнее, чем при использовании мейотических клеток.

Анна Варгова внесла значительный вклад в понимание вновь описанного сложного механизма. Павлина Микулькова оказала экспертную помощь и протянула свою волшебную руку во время визуализации мейоза живых клеток с помощью микроскопа Light-shit. Исследовательская группа была поддержана основным центром CEITEC CELLIM и основным центром науки о растениях. Исследование длилось более восьми лет и финансировалось проектом REMAP Youth and Sports Scholarship Project Министерства образования Чехии. «Было бы очень сложно разработать такой сложный проект без долгосрочного финансирования, которое у нас было. На самом деле, в какой-то момент я почувствовал, что наши пределы ограничиваются только нашим воображением, и я думаю, что это имело решающее значение для нашего долгосрочного открытие», — говорит Альберт Кэйро.

Ссылка: «Мейотический исход в арабидопсис Опосредованное P-телом ингибирование трансляции Альбертом Каиро, Анной Варговой, Нехой Шукла, Клаудио Капитао, Павлиной Микулковой, Соной Валучовой, Яной Печинковой, Петрой Буланковой, Карелом Рихой, 4 августа 2022 г., наук.
DOI: 10.1126 / science.abo0904

Интересно, что этот проект не предусматривал никакого внешнего сотрудничества, что необычно для международных исследовательских институтов, таких как CEITEC. В данном случае исследовательская группа шла в совершенно новом направлении, и исследование было завершено исключительно членами исследовательской группы Карела Рихи.