Доктор Дайсуке Маруяма и профессор Тецуя Хигасияма из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя и JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics Project вместе со своей международной командой продемонстрировали с помощью методов визуализации живых клеток, что цветущие растения, такие как поскольку Arabidopsis thaliana претерпевает слияние клеток с клетками, чтобы предотвратить притяжение второй пыльцевой трубки после того, как произошло оплодотворение. Известно, что слияние клеток с клетками происходит в растительных клетках крайне редко из-за наличия относительно прочной клеточной стенки.
До сих пор наблюдались только два других примера слияния растительных клеток, и прошло более 110 лет с момента идентификации двух слияний клеток, которые произошли между двумя наборами гамет во время оплодотворения. Следовательно, это исследование сообщает о третьем событии слияния растительных клеток, которое было выявлено во время нормальных процессов развития цветковых растений. В исследовании, опубликованном в Интернете 23 апреля 2015 года в журнале Cell, описывается сложный механизм связи между растительными клетками, когда необычное слияние клеток вызывает избирательное удаление клетки, ответственной за привлечение пыльцевых трубок после успешного оплодотворения.
Это исследование раскрывает новый тип слияния клеток, которое инициируется для разрушения конкретной клетки, и проливает свет на эволюцию полового размножения у цветущих растений.Половое размножение у цветковых растений происходит путем оплодотворения женской гаметы (репродуктивной клетки) мужской гаметой.
После успешного опыления рыльца пыльцевая трубка проходит вниз через пестик к завязи. Зрелая семяпочка у большинства цветковых растений, включая Arabidopsis thaliana, содержит семиклеточный зародышевый мешок, состоящий из двух синергидных клеток, одной яйцеклетки, одной центральной клетки и трех антиподальных клеток. Пара синергидных клеток расположена рядом с яйцеклеткой, и группа Хигасиямы сообщила в 2001 году, что синергидные клетки необходимы для притяжения пыльцевой трубки к яйцеклетке.
Пыльцевая трубка входит в семяпочку через отверстие, называемое микропиле. Цветущие растения подвергаются двойному оплодотворению путем проникновения пыльцевой трубки через одну из синергидных клеток (дегенерированную синергидную клетку) с последующим разрывом пыльцевой трубки и выбросом двух сперматозоидов в зародышевый мешок. Две сперматозоиды независимо друг от друга оплодотворяют яйцеклетку и центральную клетку, чтобы произвести эмбрион и эндосперм (ткань, которая окружает и питает эмбрион) соответственно, которые в конечном итоге превращаются в семя.
После оплодотворения вторая синергидная клетка (стойкая синергидная клетка) дегенерировала в течение нескольких часов после успешного оплодотворения. В результате дополнительные пыльцевые трубки больше не подходят к оплодотворенной завязи, этот механизм называется «политубейный блок» (политубей = состояние, при котором семяпочка получает несколько пыльцевых трубок). С другой стороны, в случае неудачного оплодотворения вторая синергидная клетка сохраняется и привлекает вторую пыльцевую трубку, чтобы восстановить неудачу более раннего оплодотворения.
«Хотя роль синергидных клеток была идентифицирована, мы точно не знали, как персистирующие синергидные клетки дегенерируют и вызывают механизм политубийного блока при успешном оплодотворении», — говорит Дайсуке Маруяма, доцент Университета Нагоя, который является первым автором и руководитель этого исследования. «Посредством исследования семяпочек Arabidopsis с помощью высокочувствительной визуализации в реальном времени мы смогли увидеть, что успешное оплодотворение двух женских гамет запускает беспрецедентное слияние клеток между стойкими синергидными клетками и эндоспермом (слияние SE), что в конечном итоге приводит к инактивации стойкая синергидная клетка ".Слияние SE, которое индуцируется оплодотворением центральной клетки, вызывает быстрое разведение предварительно секретируемого аттрактанта пыльцевой трубки в стойкой синергидной клетке. Просвечивающая электронная микроскопия неоплодотворенной яйцеклетки выявила очень тонкую клеточную стенку между синергидной клеткой и центральной клеточной стенкой, которая, как предполагалось, была необходима для быстрого распада клеточных стенок.
Слияние SE, по-видимому, контролирует устранение постоянного синергидного ядра, поскольку дезорганизация ядра синхронизируется с пролиферацией эндосперма после слияния SE. Также наблюдалась непрерывная цитоплазма между стойкой синергидной клеткой и эндоспермом, что свидетельствует о слиянии двух клеток. С другой стороны, оплодотворение яйцеклетки сильно активирует передачу сигналов этилена, что также вызывает избирательную дезорганизацию ядра в стойкой синергидной клетке.
Таким образом, стойкая синергидная клетка полностью теряет свою функцию притяжения пыльцевых трубок за счет синергетического слияния SE и передачи сигналов этилена.«Мы были чрезвычайно взволнованы, когда увидели, что слияние клеток происходит между стойкой синергической клеткой и эндоспермом, поскольку идея слияния клеток не очень распространена в растительных клетках», — говорит Маруяма, сделавший это открытие в 2012 году. «Мы продолжили изучить этот феномен, чтобы получить представление о механизме и найти доказательства уникального трехступенчатого механизма политубийного блока, при котором яйцеклетка и центральная клетка координированно играют ключевую роль в устранении устойчивой синергидной клетки путем слияния клеток и последующей ядерной дезорганизации ».Исследование Маруямы и Хигасиямы раскрывает загадку сложного механизма отключения для дальнейшего оплодотворения (привлечение множества пыльцевых трубок) после успешного оплодотворения цветущих растений.
Двойное оплодотворение женских гамет запускает необычное слияние клеток, за которым следует специфическая дезорганизация клеток, которая инактивирует клетку, ответственную за привлечение пыльцевых трубок. Интересно, что цветковые растения также способны отменить этот механизм многотрубчатого блока, когда оплодотворение из первой пыльцевой трубки бесплодно.
В результате это позволяет привлечь вторую пыльцевую трубку и восстановить возможность оплодотворения. «Нам удалось понять уникальный механизм слияния клеток, который возникает в результате первоначального оплодотворения в клетках цветущих растений», — говорит Маруяма. «Мы считаем, что открытие этой работы проливает свет на выяснение событий слияния клеток и дальнейшее понимание механизма оплодотворения у растений. Это может привести к разработке новых способов повышения успешности оплодотворения растений, которые могут иметь полезные применения. в сельскохозяйственном производстве ».