Образование пыльцы у растений происходит при недостатке кислорода

Учёные выяснили, что запускает формирование пыльцы при созревании тычинок у растений.

У цветковых растений пыльца содержится в мужских репродуктивных органах — тычинках, а точнее — в пыльниках тычинок. Но до сих пор механизм образования пыльцы был во многом непонятен. Учёные никак не могли определить движущую силу этого процесса. У животных половые клетки образуются из специальной клетки-предшественника, а сигнал к образованию приходит от окружающих клеток. Что-то похожее происходит и у растений: у них есть два сигнальных белка, MAC1 и MSCA1. У растений с выключенным MAC1 образуется слишком много половых клеток, у растений с выключенным MSCA1, наоборот, таковые почти не формируются. MSCA1 и MAC1 контролируют разные группы клеток: MSCA1 — половые, МАС1 — те, что их окружают. Но как связаны эти белки, как вообще запускается процесс формирования пыльцы?

Исследователи из Стэнфордского университета (США) пришли к выводу, что решающим фактором тут служит избыток или недостаток кислорода. При этом нет никакого предшественника: судьбу клеток определяет их положение в созревающем пыльнике. Учёные обратили внимание на то, что работа MSCA1 зависит от восстановительных процессов, которые возможны только при недостатке окислителя — кислорода. Эксперименты проводили с кукурузой, измеряя уровень кислорода глубоко в тканях созревающих пыльников. Падение уровня кислорода (которое случалось, вероятно, из-за интенсивного развития пыльников) давало сигнал к формированию половых клеток.

Чтобы подтвердить это, учёные попробовали закачивать к растительным клеткам разные газы. Высокая концентрация кислорода резко уменьшала количество половых клеток. Более того, избыток кислорода приводил к тому, что половыми становились даже те клетки, которые обычно выполняют в пыльниках совсем другие функции. Наоборот, уменьшение кислорода и повышение уровня азота стимулировало образование половых клеток. Как пишут исследователи в журнале Science, белок MSCA1 чутко реагирует на окислительно-восстановительный баланс в растительных тканях и при падении уровня кислорода ниже определённого значения даёт сигнал клеткам превратиться в половые. Быстрее всего недостаток кислорода в растущем пыльнике ощущают его центральные клетки; именно они в первую очередь пыльцу и формируют.

Сформировавшись, половые клетки сигнализируют окружающим клеткам, чтобы те не превращались в половые, и сигнальной молекулой тут служит второй белок, МАС1. То есть весь процесс запускается падением уровня кислорода, а сигнальные белки вступают в игру друг за другом. При таком раскладе клетка — предшественник половых клеток действительно не требуется, всё решает положение исходных клеток в формирующемся органе. Это сильно отличается от образования половых клеток у животных, и, возможно, поэтому исследователи так долго мучились с этой проблемой. Скорее всего, у разных групп цветковых растений в образовании пыльцы есть свои особенности, но в целом у всех процесс протекает, очевидно, именно так. Прикладное значение результатов описывать нет нужды: всякому понятно, как пригодилась бы сельскому хозяйству возможность влиять на цикл размножения у растений.

Подготовлено по материалам Стэнфордского университета.

Фото: Раскрывшийся пыльник герани с частицами пыльцы (фото Thierry Berrod, Mona Lisa Production).

Пыльники на концах тычинок тигровой лилии (фото Dana in NJ).