«Ситчатые элементы — это особые клетки, которые играют важную роль в связывании углерода, но пока очень мало известно об их дифференциации», — говорит профессор Яка Хелариутта из Института биотехнологии Хельсинкского университета, Финляндия. «Мы идентифицировали несколько генов, регулирующих этот процесс, и охарактеризовали его с беспрецедентной точностью."
Результаты сотрудничества между лабораториями профессора Яки Хелариутты и главного исследователя Эйджи Йокитало опубликованы в двух статьях, опубликованных в Science and Nature Communications.
«Понимание того, как развивается флоэма, является важным аспектом развития растений и может иметь важные приложения в биотехнологии и синтетической биологии», — описывает Хелариутта.
Запрограммированная ядерная деградация во время развития флоэмы
Элементы сита теряют ядро в процессе нормального развития. В первой статье команда описала, как это происходит, и определила несколько генетических факторов, контролирующих этот процесс.
Они использовали серийную сканирующую электронную микроскопию на поверхности блока, чтобы восстановить трехмерную модель развивающихся ситовых элементов из ультратонких срезов, что позволило им отслеживать энуклеацию этих клеток. Ядро сначала деформируется из гладкой сферы в смятую структуру, а затем сжимается и теряет свое содержимое в цитоплазму, где оно разрушается. Это сочетается с деградацией одних органелл и изменением формы других.
Исследователи идентифицировали два фактора транскрипции, NAC045 и NAC086, которые экспрессируются в клетках ситовых элементов до энуклеации. Растения, лишенные обоих генов, имеют дефектное образование ситовых элементов и погибают на стадии проростков.
Серийная сканирующая электронная микроскопия блока-лица показала, что ситовые элементы в двойном мутанте не подвергаются энуклеации. Кроме того, экспрессируя NAC45 в клетках, где он обычно не обнаруживается, исследователи показали, что этого достаточно для начала деградации ядра и цитоплазмы.
Исследователи также идентифицировали семейство генов, названных NEN1-4, которые действуют ниже NAC045 и NAC086. Хотя процесс энуклеации начинается у растений с мутациями в этих генах, он не завершается должным образом.
Контроль транспорта холина во флоэме
Генетический скрининг выявил ген CHER1, который кодирует транспортер холина, как ключевой игрок в развитии флоэмы. У мутантных растений флуоресцентный маркер, переносимый через флоэму, не разгрузился в кончике корня, что свидетельствует о дефектах транспорта флоэмы. Дальнейший анализ показал, что нити флоэмы не являются непрерывными у мутанта cher1, который также имеет короткие корни, аномальные волоски на корнях и изменения в расположении проводящих воду тканей ксилемы.
CHER1 накапливается на одном конце ячеек ситового элемента, собираясь в центре формирующей ситчатой пластины. Исследование с помощью серийной сканирующей электронной микроскопии показало, что мутантные растения имеют меньшие ситчатые пластинки с меньшим количеством структурно измененных пор, что препятствует переносу на большие расстояния через флоэму. «Контроль транспорта холина необходим для формирования непрерывно связанной флоэмы с подходящими ситами, но нам все еще нужно раскрыть точные вовлеченные клеточные процессы», — говорит Хелариутта.