Открыт молекулярный механизм формирования устьиц у растений

Так выглядят устьица у листьев бегонии. Замыкающие клетки устьица образуются путем неравного (асимметричного) деления материнской эпидермальной клетки и, в отличие от других эпидермальных клеток, имеют хлоропласты.
Специфичная форма у живых организмов складывается двумя путями: за счет дифференциации изначально одинаковых клеток или за счет деления клетки на неравные части — так называемого асимметричного деления. Примером асимметричного деления может служить оформление устьиц у растений. Американские ученые открыли и исследовали белок, руководящий асимметричным делением при развитии устьиц. По своему строению этот белок напоминает неактивную киназу, экспрессируется во многих частях растения, но только в листьях служит организатором асимметричного деления.

Мы привыкли к тому, что всё живое имеет определенную форму. Форма является важнейшим признаком живых существ, но мы редко задумываемся, почему всё живое оформлено. Твердые тела имеют форму из-за межатомных взаимодействий, в результате которых складываются кристаллы. Если же межатомные взаимодействия слабые, то материя не имеет специфической формы. Всё это мы проходили еще в школе.

Но когда речь идет о живом, то обретение конкретной формы уже не объяснишь межатомными взаимодействиями. Живые существа сложены клетками, так или иначе скрепленными между собой. Организм оформляется в ходе развития, а затем сохраняет форму более или менее постоянной на протяжении всей своей жизни. Но почему при развитии многоклеточного существа не создается аморфный сгусток материи? Откуда клетки знают, что нужно отделять дочерние клетки с какой-то одной стороны, чтобы в конце концов оформился зародыш, чтобы у него выросли конечности? Каковы вообще механизмы создания формы у живого?

В обобщенном виде ответом будет указание на существование двух путей создания формы. Первый — это накопление некоторого количества одинаковых клеток, которые затем по-разному специализируются. Второй путь предполагает асимметричное деление материнских клеток. Путь асимметричного деления реализуется у всех групп живых организмов от бактерий до позвоночных. У растений он также встречается, но, в отличие от животных, он практически не изучен.

Специалисты с отделения цитологии и биологии развития Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили и исследовали белок, который организует асимметричное деление клеток растений. Свою работу они проделали на листьях кукурузы, изучив у них формирование устьичного аппарата.

Схема развития клеток устьиц на листьях кукурузы
Схема развития клеток устьиц на листьях кукурузы. Рис. K. Sutliff из статьи Sack & Chen в Science

У листьев кукурузы устьичный аппарат состоит из четырех клеток: двух замыкающих и двух побочных. Эти клетки образуются следующим образом. Эпидермальная клетка (на схеме — розового цвета) делится на неравные по размеру части. Большая часть развивается в обычную неспециализированную клетку эпидермиса, а меньшая часть становится предшественником замыкающих клеток. Эта клетка-предшественник посылает сигнал в соседние эпидермальные клетки, и они в месте концентрации сигнального вещества отделяют две маленькие побочные клетки. Критическим моментом асимметричного деления служит накопление сигнального вещества в местах контакта предшественников замыкающих и побочных клеток.

Это сигнальное вещество получило название PANGLOSS1 (PAN1). По своему строению оно напоминает киназу, но у него отсутствуют некоторые аминокислотные остатки, которые обязательны для активных киназ. Поэтому основную функцию киназ — перенос остатков фосфорной кислоты от АТФ на субстрат — это вещество явно не выполняет. Но зато в его присутствии происходит поляризация клеточного ядра и накопление актиновых нитей. А это показатели подготовки клетки к делению в определенной плоскости.

В растениях с мутантным геном pan1 побочные клетки устьиц получаются дефектными. Можно было бы подумать, что это специфический белок, отвечающий за формирование устьичного аппарата, но в других тканях он тоже синтезируется. При этом в случае с мутантным вариантом PAN1 никаких особых дефектов в других тканях не обнаруживается. Очевидно, что мутация проявляется именно там, где требуется выполнить асимметричное деление.

С помощью иммунофлюоресцентного метода ученые определили порядок появления и локализацию PAN1 и актина в клетках развивающегося устьица. Выяснилось, что оба белка накапливаются после формирования предшественника замыкающих клеток и перед поляризацией ядра у предшественников побочных клеток. Но PAN1 регистрируется раньше актина. Это означает, что асимметричное деление предшественников побочных клеток индуцируется сигналом, посланным развивающейся замыкающей клеткой, а PAN1 так или иначе локализует актин в месте контакта предшественников замыкающих и побочных клеток, а это само по себе организует деление клетки в нужном месте и в нужном направлении.

Таким образом, у растений асимметричное деление предшественников побочных клеток инициируется за счет внеклеточного (а не внутриклеточного) сигнала, посланного соседней клеткой. Сигналом служит похожий на киназу белок. Он может (и даже наверняка так и есть) работать не сам по себе, а в ансамбле с другими сигнальными веществами. Состав участников этого ансамбля, строение и происхождение белков чрезвычайно важны для понимания происхождения формы у многоклеточных существ, но пока это только первые шаги в раскрытии молекулярных механизмов создания формы.

Источники :

1) Heather N. Cartwright, John A. Humphries, Laurie G. Smith. PAN1: A Receptor-Like Protein That Promotes Polarization of an Asymmetric Cell Division in Maize // Science. V. 323. P. 649–652. 30 January 2009 (DOI: 10.1126/science.116168).

2) Fred D. Sack, Jin-Gui Chen. Pores in Place // Science. V. 323. P. 592–593. 30 January 2009.

(Елена Наймарк elementy.ru)

Комментарии: (0)

Пока комментариев нет, вы можете стать первым!

Ваш комментарий

Sponsor

Самое читаемое

Sponsor