Projektas atskleidžia, kaip augalai nutiesia cukraus transportavimo juostą

Projektas atskleidžia, kaip augalai nutiesia cukraus transportavimo juostą

Straipsnyje, paskelbtame m MokslasTarptautinė mokslininkų komanda pateikia išsamų planą, kaip augalai sukuria floemo ląsteles – audinį, atsakingą už cukraus ir krakmolo transportavimą ir kaupimą augalo dalyse, kurias nuimame (sėklose, vaisiuose ir gumbuose), kad išmaitintume didžiąją pasaulio dalį.

Šis pagrindinis tyrimas atskleidžia, kaip pasauliniai signalai šaknų meristemose koordinuoja skirtingas floemo audinio brendimo fazes.

Floemas yra labai specializuotas kraujagyslių audinys, kuris sudaro tarpusavyje sujungtą ištisinių gijų tinklą visame augalo kūne. Jis perneša cukrų, maistines medžiagas ir daugybę signalinių molekulių tarp lapų, šaknų, gėlių ir vaisių.

Dėl to floema yra pagrindinė augalų funkcijos dalis. Ateityje žemės ūkio, miškininkystės ir biotechnologijų srityse svarbu suprasti, kaip pradedamas ir vystomas floemų tinklas, nes tai gali atskleisti, kaip geriau transportuoti šią cukraus energiją ten, kur jos reikia.

Kaip augalai stato cukraus juostą kelių juostų greitkelyje?

Augalų šaknys toliau auga visą augalo gyvenimą. Šis reiškinys, žinomas kaip neapibrėžtas augimas, reiškia, kad šaknys nuolat ilgėja, kai prie šaknies galiuko prideda naujų audinių, pavyzdžiui, tiesiant nesibaigiantį greitkelį. Ištisinė specializuotų floemo ląstelių byla, besitęsianti per visą šaknų ilgį (panašiai į greitkelio juostą), tiekia pagrindinę maistinę medžiagą, sacharozę, į tas augalo dalis, kur jos reikia augimui. Kad atliktų šį gyvybiškai svarbų vaidmenį, floemo audinys turi greitai vystytis ir bręsti, kad galėtų tiekti cukrų aplinkiniams audiniams – panašiai kaip nutiesti aptarnavimo juostą, kurią reikia užbaigti pirmajame kelių eismo juostų greitkelio statybos etape.

Problema, kuri ilgą laiką glumino augalų mokslininkus, yra ta, kaip vienas pamokantis baltymų gradientas gali suskirstyti konstravimo fazes visuose skirtinguose specializuotuose ląstelių failuose (greitkelių juostose), esančiose šaknyse. Kaip vieno tipo ląstelė skaito tą patį gradientą kaip ir kaimynai, bet skirtingai interpretuoja jį, kad galėtų atlikti savo specializuotą vystymąsi, yra klausimas, kurį augalų mokslininkai stengėsi išspręsti.

Per pastaruosius 15 metų mokslininkai Yrjö Helariutta komandose Kembridžo ir Helsinkio universitetuose atskleidė pagrindinį ląstelių tarpusavio ryšio ir sudėtingų grįžtamojo ryšio mechanizmų, susijusių su kraujagyslių modeliavimu, vaidmenį. Šis naujas tyrimas, atliktas su Niujorko universiteto ir Šiaurės Karolinos valstijos universiteto bendradarbiais, atskleidžia, kaip ši viena floemo ląstelių juosta yra sukonstruota nepriklausomai nuo aplinkinių ląstelių.

Sainsbury/Helsinkio grupė išskaidė kiekvieną etapą kuriant floemo ląstelių failą (cukraus transportavimo juostą) modelio gamykloje. Arabidopsis thaliana naudojant vienos ląstelės RNR seką ir tiesioginį vaizdą. Jų darbas parodė, kaip baltymai, kontroliuojantys platų šaknies brendimo gradientą, sąveikauja su genetine įranga, kuri konkrečiai kontroliuoja floemų vystymąsi.

Tai yra vienas mechanizmas, padedantis floemo ląstelių failui paspartinti brendimą, naudojant savo brendimo signalų interpretavimo mechanizmus. Pawelas Roszakas, pirmasis tyrimo autorius ir Sainsbury laboratorijos Kembridžo universiteto (SLCU) tyrėjas, paaiškina: apie ląstelių skiriamąją gebą. Naudojant ląstelių rūšiavimą, po kurio sekė gilus, didelės skiriamosios gebos vienos ląstelės sekvenavimas pagrindiniame genų reguliavimo tinkle, atskleidė abipusės genetinės represijos „sūpynės“ mechanizmą, kuris sukelia greitus vystymosi perėjimus.

Grupė taip pat parodė, kaip laikui bėgant vyksta floemų vystymasis, kai ankstyvosios genetinės programos slopina vėlyvąsias genetines programas ir atvirkščiai – lygiai taip pat, kaip kelių asfalto klojimo darbų brigados perduoda statybas juostų dažytojams paskutiniuose greitkelių tiesimo etapuose. Be to, jie parodė, kaip ankstyvieji floemo reguliatoriai nurodė specifiniams genams padalinti floemo ląsteles į du skirtingus potipius – pavyzdžiui, statant šakę kelyje, vedančiame į dvi atskiras vietas.

Vienas iš darbo lyderių Yrjö Helariutta sakė, kad jo komandos atkūrė žingsnius nuo gimimo iki galutinio protofloemo diferenciacijos. Arabidopsis šaknis atidengė laiptelius. Helariutta sakė: „Floemo vystymuisi reikalingi platūs brendimo gradientai, susieti su specifiniais ląstelių tipo transkripcijos reguliatoriais, kad būtų galima pradėti ląstelių diferenciaciją.“

„Sujungę vienos ląstelės transkriptomiką su tiesioginiu vaizdavimu, mes nustatėme ląstelių įvykius nuo floemo ląstelės gimimo iki galutinio diferenciacijos į floemo sieto elementų ląsteles. Tai leido mums atskleisti genetinius mechanizmus, kurie koordinuoja ląstelių brendimą ir susieja genetinės kaskados laiką su plačiai išreikštais pagrindiniais meristemų brendimo reguliatoriais. Tikslus vystymosi mechanizmų laikas buvo labai svarbus tinkamam floemų vystymuisi, o akivaizdūs „saugūs“ mechanizmai, užtikrinantys perėjimus.

Niujorko universiteto mokslininkai pateikė keletą pagrindinių projekto techninių priemonių. Kennethas Birnbaumas, Biologijos katedros ir Genomikos ir sistemų biologijos centro profesorius, ir Dennisas Shasha, Courant Matematikos mokslų instituto informatikos profesorius, prisidėjo prie vienos ląstelės RNR-seq duomenų analizės, kuriant skaičiavimo metodą. modeliai, kurie atskleidė genetinius tinklus, susijusius su plėtros programų perkėlimu, ty įgulos pasikeitimus greitkelių statyboje. Birnbaumo laboratorija taip pat dalijosi ilgalaikiais tiesioginio vaizdo gavimo metodais, kurie leido tyrėjų komandai „stebėti“ floemo ląstelių progresą nuo gimimo iki visiško brendimo per dienas po mikroskopu. Ilgalaikė mikroskopija padėjo parodyti „juostų padalijimo“ ir floemo enukleacijos įvykių laiko derinimą su ląstelių molekuline būkle.

„Tai yra aukso amžius, skirtas atradimams biologijoje su naujais įrankiais, padedančiais susieti atskirų ląstelių molekulinę būseną su ląstelės stebėjimais realiuoju laiku“, – sakė Birnbaumas. „Šie vienos ląstelės matavimai ir tiesioginio vaizdo gavimo metodai ląstelei yra tai, ką palydovinis vaizdas yra žemei. Mūsų „phloem“ projektas parodo šių priemonių potencialą suprasti augalų ląstelių vystymąsi, ypač tų, kurios yra tokios svarbios žmogaus mitybai.

Tyrėjai planuoja toliau tirti šių mechanizmų evoliuciją ir tai, ar šie žingsniai kartojami kituose augalų ir kitų augalų rūšių regionuose.

DOI: 10.1126 / science.aba5531

Kembridžo universiteto spaudos kontaktas: Kathy Grube, katherine.grube@slcu.cam.ac.uk

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.