Нагоя, Япония — доктор Аканэ Мизуками и профессор Тэцуя Хигасияма из проекта JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics и Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя и их коллеги сообщили о своих новых открытиях 8 апреля. 2016, в Current Biology, об их успехе в идентификации сахарной цепи, которая активирует пыльцевые трубки, чтобы реагировать на молекулы аттрактанта, которые способствуют оплодотворению растений.Когда пыльцевые зерна (мужской репродуктивный орган) прорастают на кончике пестика (женский репродуктивный орган), пыльцевая трубка прорастает через пестик.
Было много сообщений, которые предполагают наличие соединения, которое присутствует внутри пестика, которое активирует пыльцевую трубку, чтобы реагировать на молекулы аттрактанта для оплодотворения, то есть как любовное зелье, посылаемое женским органом, чтобы привлечь к себе мужской орган. . Однако истинная природа этого вещества до сих пор оставалась загадкой.Используя Torenia fournieri в качестве модельного растения, группе Хигасиямы и его коллегам впервые удалось идентифицировать активатор пыльцевых трубок. Этот активатор состоит из арабиногалактана, который представляет собой сахарную цепочку, специфичную для растений. Группа назвала его как «Молекула активации для способности к ответу» (AMOR), взятого от латинского слова, означающего «любовь» и «купидон», тем самым иллюстрируя его функцию по объединению женских и мужских органов, способствуя оплодотворению растений.
В своем исследовании группа также сообщила, что две сахарные единицы на конце AMOR были активным компонентом, ответственным за активацию пыльцевой трубки по отношению к молекулам аттрактанта. Таким образом, в сотрудничестве с химиками-синтетиками, доктором Цзяо Цзяо и доктором Дзюнъитиро Ямагути, команда синтезировала дисахарид, который состоит из метилглюкуроновой кислоты и галактозы, связанных вместе. Они обнаружили, что недавно синтезированная молекула активирует пыльцевую трубку, чтобы реагировать на молекулы аттрактанта, что приводит к успешному оплодотворению.
«Мы рады впервые продемонстрировать, что этот концевой дисахарид, который характерен для сахарных цепей в растениях, отвечает за передачу сигналов между растительными клетками», — говорит Хигасияма, руководитель проекта ERATO и профессор / заместитель Директор ITbM Университета Нагоя. «Это может привести к разработке новых методов повышения эффективности удобрения растений и открыть новые возможности для исследования углеводов в биологии растений с использованием подходов синтетической химии».Для оплодотворения семенных растений (покрытосеменных) необходимо, чтобы пыльцевые зерна опылялись на пестике с последующим прорастанием и ростом пыльцевой трубки через пестик с окончательной доставкой сперматозоидов к семяпочкам, содержащим яйцеклетку. клетки. Проходя через пестик, пыльцевая трубка получает различные вещества, такие как гормоны растений и гликопротеины.
У млекопитающих давно известно явление, называемое емкостью сперматозоидов, при котором сперма активируется веществами, поступающими из женских органов. Таким образом, было проведено много исследований, чтобы раскрыть его молекулярный механизм.
Точно так же у растений были сообщения о явлении, когда пыльцевые трубки получают молекулы аттрактанта, которые производятся двумя синергидными клетками, расположенными рядом с яйцеклетками, чтобы их трубки вырастали к яйцеклеткам и приводили к оплодотворению. Однако молекулярный механизм того, как пыльцевые трубки становятся способными реагировать на молекулы аттрактанта, не раскрыт.«В этом исследовании я использовал растения Torenia fournieri для разработки новых экспериментов, чтобы проверить, какие факторы заставляют пыльцевые трубки приобретать способность реагировать на молекулы аттрактанта», — говорит Аканэ Мизуками, в настоящее время доцент Университета Аити Гакуин, которая в основном проводила исследование. биологический анализ.
Torenia fournieri уникальна тем, что яйцеклетка, содержащая яйцеклетку и две синергидные клетки, выступает из яйцеклетки.«Используя этот метод для измерения активности в различных частях цветка Torenia, мы обнаружили AMOR, молекулу, которая позволяет пыльцевым трубкам приобретать способность реагировать на молекулы аттрактанта, продуцируемые синергидными клетками», — описывает Мизуками.Путем очистки AMOR группа обнаружила, что AMOR содержит сахарную цепь, называемую арабиногалактаном, которая характерна для растений. Кроме того, используя пищеварительный фермент, специфичный для разрезания сахарной цепи арабиногалактана на различных участках, группа смогла определить, что дисахаридный фрагмент, содержащий элемент метил-глюкуроновой кислоты, расположенный на конце арабиногалактана, необходим для активности AMOR.
Затем химики-органики в группе синтезировали дисахаридный фрагмент на конце арабиногалактана. «Хотя сейчас я могу сказать, что это легко, вначале, когда я присоединился к этому проекту, я изо всех сил пытался синтезировать и изолировать соединения сахара, потому что я не был экспертом в химии сахара, и это была новая область исследований для меня », — говорит Цзяо Цзяо, научный сотрудник лаборатории профессора Кеничиро Итами в ITbM Университета Нагоя. «Я также нахожу, что у многих химиков-органиков такое же чувство, что с сахарными соединениями трудно работать, особенно когда они работают изолированно».«Мне потребовалось около трех месяцев, чтобы получить желаемое соединение с подтвержденной структурой и хорошей чистотой.
Синтез этой небольшой молекулы сахара был действительно похож на полностью синтетический проект. Мой наставник, Дзюнъитиро Ямагути (доцент Университета Нагоя) был экспертом для производства натуральных продуктов, и изначально он разработал синтетический путь, — продолжает Цзяо. «Мы обсудили и изменили процедуру, чтобы сделать ее лучше и лучше как по селективности, так и по выходу.
Я думаю, три месяца для меня были действительно драгоценным временем для изучения новой химии и получения хорошего опыта на будущее».Интересно, что когда в культуру добавляли изомер α-связи синтезированного дисахарида метил-глюкуронозилгалактозы, пыльцевая трубка притягивалась к молекуле аттрактанта. «Это показывает, что именно этот дисахарид был ключевой структурой для активности AMOR», — объясняет Мизуками.
Другие синтезированные производные дисахарида также были добавлены в культуру, чтобы увидеть их влияние на способность пыльцевых трубок реагировать на молекулы аттрактанта. Группа также обнаружила, что метильная группа в звене метилглюкуроновой кислоты и α-связь между двумя сахарами также необходимы для притяжения пыльцевой трубки. «Такое поведение пыльцевых трубок указывает на то, что они четко распознают специфическую структуру дисахарида».
Это новое исследование выявило присутствие AMOR, молекулы сахара, ответственной за контроль способности пыльцевой трубки реагировать на молекулы аттрактанта, что является необходимой для успешного оплодотворения растений. Сахарная цепь арабиногалактана обычно присутствует в клеточной стенке растений и, как известно, участвует в различных сигнальных путях внутри клетки.
Однако эффективные аналитические методы для идентификации активных центров сахарной цепи не были хорошо установлены, и точная роль структуры сахарной цепи до сих пор полностью не выяснена.Благодаря сочетанию биологического подхода с использованием различных ферментов, переваривающих сахар, и химического подхода с использованием синтетических сахаров, группе удалось выявить активный функциональный сайт в сахарной цепи растения. Кроме того, это был первый случай, когда специфическая структура сахарной цепи, которая является частью внеклеточного матрикса растений, была идентифицирована как биоактивный вид, который функционирует в сигнальном пути между клетками.«Междисциплинарные исследования биологии и химии были просто фантастическими», — говорит Цзяо. «Мне очень весело разговаривать и обсуждать исследования с биологами.
Мы делимся разными научными знаниями, экспериментальными методами и так далее. Мы никогда не стесняемся задать какой-нибудь« глупый »вопрос, потому что мы не только соавторы, но и как друзья или Учителя друг к другу. Я определенно хочу и с нетерпением жду такого сотрудничества в ближайшем будущем », — продолжает она.
«Это исследование — результат фантастического слияния моих коллег, включая биологов из моей лаборатории, химиков из лаборатории Итами, а также из Центра молекулярной структуры ITbM», — говорит Хигасияма. «Я верю, что результат этого сотрудничества не только проливает свет на давно разыскиваемую загадку сахарных цепей арабиногалактана, но также продвинет понимание еще не решенного пути передачи сигналов между клетками с участием сахарных цепей».