Как растения отталкивают «нежеланных женихов» при опылении

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Цветение — это вершина эволюции растений, их способ размножаться. Однако для успешного оплодотворения нужно преодолеть немалое расстояние — от пыльцы на пестике до зародышевого мешка глубоко внутри завязи. Этой сложной задачей занимается пыльцевая трубка, тонкий и гибкий отросток, который, словно крохотный пилигрим, пробирается через лабиринт тканей в поисках своей цели. Но как он находит нужный путь среди множества других трубок, стремящихся к той же цели?

Цветы
Автор: Designer

Ответ кроется в тонкой и элегантной системе, разработанной растениями в процессе эволюции. Оказывается, завязь — не просто вместилище для семян, она активно участвует в процессе опыления, управляя ростом пыльцевой трубки, словно опытный проводник.

Вглядываясь в глубины: Двухфотонная микроскопия на страже секретов

Долгое время наблюдать за ростом пыльцевой трубки в живом цветке было практически невозможно. Исследователи вынуждены были полагаться на методы фиксации тканей, которые, как правило, искажали картину происходящего. Но прогресс в микроскопии подарил ученым мощный инструмент — двухфотонную микроскопию.

В новой работе исследователи разработали методику, названную «методом одиночной дольки», позволяющую детально наблюдать за поведением пыльцевой трубки в живой завязи.

(A) (слева) Изображение пестика A. thaliana под сканирующим электронным микроскопом. Правая сторона стенки завязи была удалена, чтобы обнажить внутренние яйцеклетки. (справа) Схематическое изображение структур цветка A. thaliana и процесса продвижения пыльцевой трубки внутри завязи. Цветок имеет один пестик в центре, который образуется путем слияния карпелл. Сросшиеся карпели образуют две локулы, в которых располагаются около 20-30 яйцеклеток, каждая из которых находится в вертикальном положении внутри локулы. Сросшиеся локулы образуют перегородку, содержащую плаценты, от которой отходит похожая на стебель структура фуникулус, соединяющая каждую яйцеклетку. Когда пыльца попадает на рыльце, она прорастает в пыльцевой трубке. Пыльцевая трубка проникает внутрь рыльца и попадает на рыльце, соединенное с передаточным трактом (ПТ) в завязи. В данном исследовании ведение пыльцевой трубки после входа в ТТ было разделено на три этапа: (1) выход пыльцевой трубки из ТТ в локулу (ведение пыльцевой трубки), (2) ведение пыльцевой трубки от поверхности перегородки к фуникулусу (ведение фуникула) и (3) ведение пыльцевой трубки от фуникула к микропиле (ведение микропиле). После микропилярной проводки пыльцевая трубка попадает в микропиле яйцеклетки и выпускает сперматозоиды в синергидные клетки, после чего происходит двойное оплодотворение яйцеклетки и центральной клетки. (B-F) Пыльцевые трубки в ТТ. Пестик дикого типа, опыленный пыльцой дикого типа, собранной через 18 ч после опыления, был зафиксирован и очищен 1 N гидроксидом натрия. Пыльцевые трубки в пестике окрашивали анилиновым синим. (B) Изображение завязи в проекции xy-максимум при максимальном опылении. Флуоресцентные сигналы пыльцевых трубок и завязи показаны голубым и пурпурным цветами. (C) Максимальное проекционное изображение (B) по оси yz. (D) Вертикальный оптический разрез (B). Показаны пыльцевые трубки внутри TT оптического xy-сечения. (E) Оптическое сечение (B), полученное с шагом 1 мкм с помощью 123 плоскостей. Расположение сечения обозначено зеленой линией в (B). (F) Пыльцевые трубки в ТТ из (E) были подсчитаны с помощью многоточечного инструмента в программе Fiji. 69 пыльцевых трубок в ТТ показаны желтыми кружками. Информация о данных: (B-D) Стрелками указаны направления движения рыльца и донца пестика. Острие стрелки указывает на конец стилета. (B, C) Звездочками показаны притянутые пыльцевые трубки к яйцеклетке, расположенные в задней части пучка пыльцевых трубок. (B, D) Белыми пунктирными линиями показана стенка завязи. TT — передающий тракт. (B-F) Масштабные линейки, 50 мкм.
Автор: Yoko Mizuta, Daigo Sakakibara, Shiori Nagahara, Ikuma Kaneshiro, Takuya T Nagae, Daisuke Kurihara and Tetsuya Higashiyama. EMBO Rep (2024) https://doi.org/10.1038/s44319-024-00151-4 CC-BY 4.0 Источник: www.embopress.org

Разгадка механизмов: Поэтапная навигация по лабиринту

Благодаря «методу одиночной дольки» ученые смогли разгадать несколько ключевых этапов навигации пыльцевой трубки:

  • Выбор пути: Когда пыльцевая трубка попадает в завязь, она оказывается среди множества других, образующих «пучок». Однако не все трубки «предназначены» для оплодотворения конкретного зародышевого мешка. Выбор пути в этом пучке происходит не по принципу «лучше-хуже», а скорее случайным образом, в зависимости от расположения трубки относительно эпидермиса завязи.
  • Сигнал к выходу: Оказалось, зародышевый мешок «вызывает» пыльцевую трубку, посылая специфический сигнал — невидимый, но мощный. Этот сигнал заставляет трубку замедлить рост, пока она не доберется до эпидермиса завязи, и, наконец, выйти в «полость» завязи, в поисках своей цели.
  • Внешняя оболочка — ключ к направлению: Особую роль в этом процессе играет внешняя оболочка зародышевого мешка. Исследования показали, что именно она «ответственна» за сигнал, который привлекает пыльцевую трубку и позволяет ей «прикрепиться» к тканям завязи.
  • Защита от перегрузки: Но как защитить зародышевый мешок от «захвата» множеством трубок? Для этого растение разработало многоступенчатую систему блокировки:
  1. Первый уровень блокировки: на эпидермисе завязи работает фермент FERONIA, который ограничивает количество пыльцевых трубок, выходящих из пучка, словно сортировщик, отбирающий «опытных» путешественников.
  1. Второй уровень блокировки: В самих клетках зародышевого мешка работают FERONIA и LORELEI, которые «отталкивают» лишние трубки, не давая им проникнуть к зародышевому мешку.
  1. Третий уровень блокировки: Даже если первая трубка «прикрепилась» к зародышевому мешку, вторая трубка не может пробраться в течение 45 минут. Эта «задержка» — еще один уровень защиты, предотвращающий одновременное попадание нескольких трубок в зародышевый мешок.
(A, B) Пространственно регулируемое ограниченное опыление. Опыленные одиночные пыльцевые зерна показаны наконечниками стрел в центре (A) или сбоку (B) рыльца. (C) Прозрачные силики с одним семенем от каждого опыления одиночной пыльцой. Семена указаны стрелками. (D) Относительная частота распределения 205 целевых яйцеклеток в максимально опыленных 12 пестиках, когда кончик пыльцевой трубки достиг средней части через 4 ч после опыления (56,5 +- 7,1 % от вершины завязи; n = 12 пестиков). (E, F) Распределение единичных семян в 52 пестиках с центральным опылением (E) и 44 пестиках с боковым опылением (F) при однократном опылении пыльцой. На гистограммах представлена частота семян, присутствующих в каждом из десяти процентилей длины завязи, от самого апикального (0-10 %) до самого базального (90-100 %) в каждой завязи. Информация о данных: В (D) данные представлены как среднее +- s.d. В (E) и (D) мы использовали непараметрический U-тест Манна-Уитни для статистического анализа, и разница между центральным и боковым опылением не была значительной (P = 0,99). Исходные данные для этого рисунка доступны онлайн.
Автор: Yoko Mizuta, Daigo Sakakibara, Shiori Nagahara, Ikuma Kaneshiro, Takuya T Nagae, Daisuke Kurihara and Tetsuya Higashiyama. EMBO Rep (2024) https://doi.org/10.1038/s44319-024-00151-4 CC-BY 4.0 Источник: www.embopress.org

Новые горизонты: Что дальше?

Исследование раскрыло невероятно сложную и тонкую систему, которая управляет направлением роста пыльцевой трубки. Оно открывает новые горизонты для понимания репродуктивных процессов в растениях, и может помочь в развитии новых методов управления опылением, что является ключевым фактором для урожайности в сельском хозяйстве. Впереди — исследование молекулярных механизмов работы FERONIA и LORELEI, а также выявление вещества, которое посылает «приглашение» пыльцевой трубке из внешней оболочки зародышевого мешка.

Как растения «знают», какая пыльцевая трубка подходит для оплодотворения, если процесс выбора пути выглядит случайным?

Процесс выбора пути действительно выглядит случайным, но это не значит, что он не регулируется. Ключевой фактор — местоположение пыльцевой трубки относительно эпидермиса завязи, которое, скорее всего, определяется физическими свойствами тканей завязи. Также вероятна роль различных химических сигналов, которые «направляют» трубки в нужное место.

Почему «приглашение» пыльцевой трубки от зародышевого мешка заставляет ее замедлять рост?

Замедление роста, вероятно, связано с необходимостью «прикрепиться» к тканям завязи, чтобы спровоцировать «выход* » в полость. Помимо этого, замедление может быть связано с «тонкой настройкой» пути для достижения цели, чтобы избежать столкновений с другими трубками и запутаться в лабиринте тканей.

Как работает система FERONIA и LORELEI, «отталкивая» лишние трубки?

Подробности этого механизма пока неизвестны, но ученые предполагают, что эти ферменты вызывают изменение химического состава тканей завязи, делая их «непривлекательными» для дополнительных трубок. Также возможно, что они «блокируют» сигналы от зародышевого мешка, делая его «невидимым» для лишних трубок.

Почему первый уровень блокировки, запускаемый FERONIA, не действует в течение первых 45 минут после попадания первой трубки в зародышевый мешок?

Это «несовершенство» системы может быть связано с необходимостью «проверить» первую трубку и убедиться, что она способна достичь цели. Также возможно, что сигналы, которые «отталкивают» лишние трубки, не сразу становятся «полноценными».

Каковы практические последствия этих открытий для сельского хозяйства?

Понимание механизмов опыления может помочь в разработке новых методов искусственного опыления, увеличить урожайность и улучшить качество продукции. Также этот знания можно применить для создания более устойчивых и адаптируемых к изменениям климата сортов растений.

  • * — Санкт-Петербургская ЛГБТ- инициативная группа "Выход" признано иностранным агентом

3 комментария

s
А что у растений тоже есть сперматозоиды. Неужели?
b
«Тычинки» и «Пестики» для взрослых.
С
Санкт-Петербургская ЛГБТ- инициативная группа «Выход» не любила растения, поэтому её признали иностранным агентом.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обнаружен «Квест» — корабль легендарного исследователя

Погружаясь в ледяные глубины, международная группа исследователей сделала сенсационное открытие: в холодных водах у берегов Лабрадора, в Канаде, обнаружены останки «Квеста» — последнего...

5 причин, почему за FOSS стоит будущее: философия бесплатных программ с открытым кодом

За последние несколько лет все наверняка почувствовали засилье подписок и платных программ. Разработчики уже начинают вводить покупку «версий»: пользователь может потратить несколько тысяч, чтобы...

Марсианская грядка: выращиваем рыбу с картошкой на Красной планете?

Мечты о покорении космоса давно перестали быть уделом фантастов. Сегодня космические агентства всерьез планируют колонизацию Марса, нацеливаясь на ближайшие десятилетия. Но как обеспечить будущих...

Как поменять аккумулятор в ноутбуке Acer Aspire E5-575G

В последнее время аккумулятор на моём ноутбуке Acer Aspire E5 стал держать заряд всего около получаса. Непорядок! Видать пришло время его менять. К сожалению, в этой модели, аккумулятор несъёмный....

Новый вид птерозавра с гигантским языком обнаружен в Австралии

Австралия, хоть и славится своей уникальной фауной, не может похвастаться обилием окаменелостей птерозавров — летающих ящеров, царивших в небе эпохи динозавров. Именно поэтому каждая...

Otso Hoot Ti: титановый велосипед из Финляндии за 543 000 руб

Отечественные бренды в основной массе отстрелялись по части новинок на 2024 год — смотрим, что происходит в других странах. А там, например, финская компания Otso представила свой...