Пыльцевые трубочки растут внутри пестика и доставляют свои сперматозоиды к яйцеклеткам, расположенным глубоко внутри пестика, для оплодотворения. Группа Хигасиямы ранее обнаружила пептид-аттрактант пыльцевой трубки, называемый LURE, который вырабатывается яйцеклеткой, чтобы направлять пыльцевую трубку к яйцеклетке. Исследования показали, что структура LURE различается для каждого вида растений и специфична для пыльцевой трубки каждого растения, то есть каждый пептид LURE преимущественно привлекает пыльцевую трубку одного и того же вида растений.
Однако точный механизм того, как пыльцевые трубки обнаруживают приманку, до сих пор неизвестен.В этом исследовании, опубликованном 10 марта 2016 года в журнале Nature, Такеучи и Хигашияма обнаружили рецептор, необходимый для обнаружения приманки на кончике пыльцевой трубки модельного растения Arabidopsis thaliana (кресс-тале).
Они также обнаружили, что этот рецептор работает с множеством рецепторов, которые имеют аналогичную структуру, чтобы точно определять сигналы, передаваемые от пестика. Принимая различные сигналы, посылаемые пестиком, киназные рецепторы позволяют пыльцевым трубкам расти до положения внутри пестика, где они могут обнаруживать приманку. Затем пыльцевые трубки направляются к яйцеклетке и передают ее сперматозоиды для оплодотворения.«Мы считаем, что это исследование продвигает наше понимание механизма оплодотворения между видами растений», — говорит Такеучи, научный сотрудник Института Грегора Менделя в Австрии, который проводил это исследование. "После более подробного исследования роли этого рецептора мы надеемся, что это приведет к разработке методов, позволяющих изменить степень успешности оплодотворения и повысить эффективность производства семян, а также разработать методы, обеспечивающие оплодотворение между различными видами, — говорит Хигасияма, руководитель проекта ERATO и профессор / заместитель директора ITbM Университета Нагоя.
Рис и соя, которые мы едим ежедневно, являются семенами растений, а многие овощи развиваются из семян. Чтобы растения могли вырастить семена, необходимо, чтобы мужские и женские репродуктивные органы растений встречались и оплодотворялись. Мужской орган цветковых растений состоит из пыльцы и сперматозоидов внутри. Пыльца развивается в пыльцевую трубку, которая представляет собой одиночную клетку с трубчатой структурой.
Кончик пыльцевой трубки (пыльник) расширяется и врастает в пестик. Пыльцевая трубка в конечном итоге достигает яйцеклетки глубоко внутри пестика и передает сперматозоид в яйцеклетку, чтобы вызвать оплодотворение.Тот факт, что пыльцевые трубки способны точно находить яйцеклетки, не сбиваясь с пути, может быть ключевым элементом, поддерживающим наши запасы пищи. Встреча мужских и женских органов у растений — чрезвычайно мистическое и важное событие, но его точный механизм до сих пор остается загадкой.
В 2009 году Хигасияма и его коллеги обнаружили, что синергидная клетка, расположенная рядом с яйцеклеткой, производит молекулы, называемые приманками, которые привлекают пыльцевые трубки растений Торения.
Они также обнаружили аналогичные пептиды LURE у Arabidopsis thaliana в 2012 году.«Мы обнаружили, что структура LURE различается в зависимости от вида растений, и что LURE определенного растения привлекает пыльцевые трубки одного и того же вида, что сохраняет оплодотворение между одними и теми же видами», — описывает Хигасияма. «Таким образом, приманка была определена как ключевой фактор, вырабатываемый женским органом для привлечения мужского органа в растениях».Тем не менее, механизм того, как пыльцевые трубки могут обнаруживать приманку, как пыльцевые трубки растут до положения внутри пестика, где они могут обнаруживать приманку, и факторы, лежащие в основе роста и реакции пыльцевых трубок, были неизвестны. Команда Хигасиямы решила изучить эти вопросы, попытавшись выявить ключевые факторы в пыльцевых трубках, которые позволяют обнаруживать приманку.
«Используя Arabidopsis thaliana в качестве модели, мы выдвинули гипотезу, что 23 рецептора киназы, специфически локализованные на поверхности мембран пыльцевых трубок, могут быть кандидатами, которые необходимы для обнаружения приманки», — говорит Такеучи. «Я провел биоанализы пыльцевых трубок, отключив функцию каждого рецептора киназы, и обнаружил, что рецептор PRK6 необходим для обнаружения LURE».Для PRK6 на самом деле существует несколько семейств рецепторов, которые имеют сходную аминокислотную последовательность. После деактивации функции других рецепторов PRK Такеучи и Хигасияма обнаружили, что потеря различных комбинаций рецепторов PRK приводит к снижению ответов пыльцевых трубок на LURE или затруднению роста пыльцевых трубок. Это совпадает с предыдущими сообщениями о том, что рост пыльцевых трубок индуцируется рецептором PRK, реагирующим на сигналы, посылаемые от пестика.
Следовательно, команда обнаружила, что PRK6 и другие его рецепторы PRK работают вместе, чтобы обнаруживать приманку, а также позволяют пыльцевым трубкам расти до положения внутри пестика, где он может обнаруживать приманку.
Затем Такеучи изучил, как PRK6 посылает сигналы внутри клеток пыльцевой трубки, чтобы понять, как он реагирует на приманку. «Когда пыльцевая трубка растет в прямом направлении, PRK6 равномерно распределяется по клеточной мембране», — объясняет Такеучи. «Я использовал флуоресцентно меченый PRK6, и после добавления приманки в пыльцевую трубку я заметил, что PRK6 движется к области клеточной мембраны на кончике пыльцевой трубки, которая обращена к приманке. Затем пыльцевая трубка меняет свое направление и начинает расти в направлении ПРИМАНКА." На основе этих результатов команда показала, что PRK6 собирает факторы, необходимые для роста пыльцевых трубок в направлении LURE.«Хотя считается, что притяжение пыльцевых трубок происходит преимущественно между одними и теми же видами, мы хотели посмотреть, сможем ли мы сделать это между разными видами», — говорит Хигасияма. При обработке приманки из Arabidopsis thaliana в пыльцевую трубку растения Capsella rubella (розовый пастуший кошелек), которое принадлежит к тому же семейству Brassicaceae (Cruciferae), что и Arabidopsis thaliana, реакции на приманку не наблюдалось.
«Интересно, что когда мы вставили ген PRK6 Arabidopsis thaliana в пыльцевую трубку Capsella rubella, он отреагировал на приманку Arabidopsis thaliana», — говорит Такеучи. «Эти данные показывают, что рецептор PRK6 в пыльцевой трубке, безусловно, является ключевым фактором для обнаружения приманки одного и того же вида. Мы также были очень взволнованы, увидев притяжение пыльцевой трубки между пыльцевой трубкой и приманкой другого вида», — говорят Такеучи и Хигасияма.
Образование семян в результате оплодотворения пестика тычинками было известно более 2000 лет назад и является чрезвычайно важным механизмом в сельском хозяйстве. Кроме того, факт притяжения пыльцевых трубок к пестичному органу был открыт более 100 лет назад. С момента открытия молекулы аттрактанта LURE, необходимо было раскрыть механизм ответа на этот белок.
Это исследование показывает, что рецептор PRK6 в пыльцевых трубках является основным фактором обнаружения и роста приманки.«Путем дальнейшего исследования семейства рецепторов PRK мы надеемся раскрыть полный механизм оплодотворения, который происходит за счет роста пыльцевых трубок и обнаружения LURE», — говорят Такеучи и Хигасияма.«В наших исследованиях мы также обнаружили, что введение гена рецептора PRK6 позволяет привлекать пыльцевую трубку других видов», — говорит Хигасияма. «Это может иметь потенциал для разработки новых методов оплодотворения между различными видами. Изучение молекул, нацеленных на рецепторы PRK, может привести к производству агрохимикатов, которые могут улучшить производство семян за счет увеличения скорости оплодотворения.
Мы также предполагаем, что это исследование будет инициировать новые исследования, чтобы обеспечить возможность оплодотворения между различными видами, чтобы создать новые и полезные виды растений, которые могут способствовать устойчивому снабжению продуктами питания ", — продолжает он.
