Исследовательская группа под руководством Университета Хиросимы обнаружила ключевой ген, отвечающий за инициацию развития геммы (клональной проросшей почки). Он действует как «главный выключатель», запускающий бесполое размножение (клонирование) у модельного растения Marchantia polymorpha (Маршанция изменчивая).
Многие растения обладают удивительной способностью обходиться без семян и размножаться бесполым путем. Такая гибкость позволяет растениям воспроизводить целые организмы из одной специализированной клетки. Однако точные клеточные и генетические «переключатели», отвечающие за этот процесс, до сих пор остаются загадкой.
Несмотря на то, что такая способность широко распространена в растительном мире, ее изучение остается непростой задачей. Основная причина в том, что стандартные модельные организмы, такие как Arabidopsis thaliana, в природе так не размножаются. В результате возникло «научное слепое пятно», где самые передовые инструменты молекулярной биологии не могут быть применены для изучения этого удивительного явления.
Исследовательской группе из Университета Хиросимы посчастливилось обнаружить этот скрытый механизм, сосредоточившись на новом модельном организме — Marchantia polymorpha (печёночном мхе). Это растение, широко распространённое в населённых районах Северного полушария, имеет плоское, похожее на лист тело, называемое талломом, и может размножаться путём клонирования с помощью специальных структур, известных как геммы.
Исследование было опубликовано в журнале Current Biology.
«Маршанция изменчивая — ключ к разгадке тайны бесполого размножения растений, — говорит Юки Хиракава, профессор Высшей школы комплексных наук о жизни при Университете Хиросимы. — Дело в том, что этот вид спонтанно размножается бесполым путем, образуя геммы, и уже существуют хорошо зарекомендовавшие себя методы генетического анализа».
В ходе предыдущих исследований научная группа обнаружила, что пептидный гормон CLE подавляет бесполое размножение. Последующий анализ транскриптома выявил набор генов, экспрессия которых меняется в ответ на воздействие гормона, что позволило предположить их участие в процессах бесполого размножения. В рамках этого исследования ученые провели эксперименты по редактированию генома с помощью технологии CRISPR-Cas9 и искусственному нокдауну микроРНК, чтобы подавить функцию одного из этих генов. Было обнаружено, что растение полностью перестало образовывать геммы, что свидетельствует о том, что ген, названный GEMMIFER, необходим для бесполого размножения.
Чтобы подробнее изучить функцию этого гена, команда создала трансгенную линию, способную контролировать активность GEMMIFER с помощью лекарственных препаратов. При введении дексаметазона, временно активирующего GEMMIFER, запускалось образование стволовых клеток — начальной точки развития геммы. Вновь образованные клетки продолжали расти и успешно развивались в зрелые геммы. Это подтвердило, что активации одного гена достаточно, чтобы запустить весь процесс клонирования.
Дальнейший анализ показал, что GEMMIFER активирует ген GCAM1, который также необходим для формирования геммы. Это взаимодействие дает ключевое представление о ранних стадиях генетического процесса, определяющего стволовую природу геммы.
«Точный механизм, с помощью которого ген перепрограммирует судьбу клеток, до сих пор до конца не изучен. Кроме того, хотя у многих растений есть похожие гены, пока неясно, выполняют ли они одну и ту же функциональную роль. Однако, — добавляет Хиракава, — тот факт, что мы не могли наблюдать это явление у традиционных модельных растений, не означает, что оно не встречается в природе. Это открытие напоминает нам о том, сколько биологических тайн еще предстоит раскрыть».
