В своем первоначальном, диком виде это растение дает крошечные плоды размером с ягодку. Тем не менее, среди первых помидоров, привезенных в Европу из Мексики конкистадором Эрнаном Кортесом в начале 16 века, были огромные бифштексы. Этот сорт, производящий фрукты, которые часто весят более фунта, долгое время считался уродом природы, но только теперь мы знаем, как он появился.Секрет томатного бифштекса, как показывают доцент CSHL Захари Липпман и его коллеги, связан с количеством стволовых клеток в верхушке растения, называемой меристемой.
В частности, команда проследила аномальную пролиферацию стволовых клеток до естественной мутации, возникшей сотни лет назад в гене CLAVATA3. Селекция этого редкого мутанта специалистами по выращиванию растений является причиной того, что сегодня у нас есть помидоры для бифштекса.У растений, как и у животных, стволовые клетки дают начало разнообразию специализированных типов клеток, которые включают все ткани и органы. Но слишком много стволовых клеток может стать проблемой.
У людей слишком много стволовых клеток может привести к раку. Точно так же, когда производство стволовых клеток у растений не контролируется, рост становится несбалансированным и нерегулярным, что угрожает выживанию.Точно настроенный баланс производства стволовых клеток в растениях контролируется генами, которые обладают противоположной активностью. В частности, ген, известный как WUSCHEL, способствует образованию стволовых клеток, тогда как гены CLAVATA ингибируют производство стволовых клеток.
Несколько генов в семействе CLAVATA кодируют рецепторные белки, которые находятся на поверхности растительных клеток — эквивалент замков, а также ряд белков, которые состыковываются с этими рецепторами — эквивалент ключей. Когда ключ CLAVATA сделан и подходит для замка CLAVATA, внутри ячейки посылается сигнал, который говорит WUSCHEL замедлиться. Что особенно важно, это не позволяет WUSCHEL производить слишком много стволовых клеток.Поэтому неудивительно, что когда гены CLAVATA мутируют, растение производит слишком много стволовых клеток в меристеме.
Однако в недавно опубликованных экспериментах команда Липпмана исследовала никогда ранее не изученные мутантные растения томатов, три из которых содержали дефектные гены, кодирующие ферменты, которые добавляют молекулы сахара к белкам. Как это открытие имело отношение к стволовым клеткам растений?
Эксперименты Липпмана показали, что ферменты, называемые арабинозилтрансферазами (AT), добавляют молекулы сахара, называемые арабинозами, к CLAVATA3 — одному из ключей CLAVATA. Примечательно, что эти сахара необходимы для того, чтобы ключ соответствовал замку CLAVATA.Важное открытие команды: изменение количества сахаров, прикрепленных к ключу CLAVATA3, может изменить количество стволовых клеток. Три сахара — это нормально, они дают нормальный рост.
Но когда один или несколько сахаров на ключе CLAVATA3 отсутствуют, ключ больше не входит в замок должным образом. Таким образом, WUSCHEL посылает сигнал о создании новых стволовых клеток, но это сообщение не сопровождается сигналом «стоп».
Есть аномальный рост; плод растения становится очень большим. Возвращаясь к исходному сорту томатов для бифштекса, Липпман и его коллега Эстер ван дер Кнаап из Университета штата Огайо обнаружили, что секрет бифштекса в том, что в меристеме вырабатывается недостаточное количество ключа CLAVATA3. В результате получается слишком много стволовых клеток и гигантские плоды.Исследование в более широком смысле показывает, что у растения томата и других растений существует континуум возможностей роста, поскольку путь КЛАВАТА в высокой степени консервативен в эволюции и существует у всех растений.
Регулируя количество сахаров в ключах CLAVATA, а также с помощью других мутаций, влияющих на компоненты пути, Липпман и его коллеги показывают, что можно точно настроить рост таким образом, чтобы селекционеры могли настраивать размер плодов.