Группа ученых из пяти стран, включая Россию, исследовала генетическую регуляцию деления стволовых клеток в стебле растений и обнаружила ранее неизвестный механизм контроля роста древесины фитогормоном ауксином. Белки-регуляторы ответа на ауксин координируют активность гена WOX4 — ключевого для поддержания стволовых клеток стебля растений. Результаты исследования имеют значение не только для фундаментальной биологии, но и для решения экономических и экологических проблем, так как изученный механизм позволит в перспективе влиять на качество и объем древесины. Подробности опубликованы в журнале Nature Communications.

Международный коллектив ученых из Центра организменных исследований (Германия), Института Грегора Менделя (Австрия), ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Новосибирского государственного университета (Россия), Университета Вагенингена (Нидерланды) и Института молекулярной и клеточной биологии растений Политехнического университета Валенсии (Испания) показал ключевую роль в процессе образования камбия (ниши стволовых клеток в стебле растений) белков-регуляторов ответа на ауксин. Также исследователи конкретизировали особенности пространственной координации активности генов в тканях стебля. Ранее не было известно, связаны ли как-то пути регуляции поддержания жизнедеятельности камбия через фитогормон ауксин и через белок-регулятор WOX4, эти направления считались параллельными. В своей работе авторы показали, что между ними есть прямая связь.
 
— Поскольку мы смогли различить разные типы клеток в камбии, наша работа является важной ступенью для исследований регуляции функционирования этой ткани. Мы всё лучше понимаем удивительную сложность регуляторной сети поддержания ниши стволовых клеток камбия, который обеспечивает существование древесины, создающей значительную часть биомассы нашей планеты, — прокомментировал результаты работы ее руководитель — профессор Центра организменных исследований университета Гейдельберга доктор Томас Греб.
 
Удивительный камбий и король фитогормонов ауксин
 
Из камбия — стволовых клеток стебля растений образуется древесина, составляющая значительную часть от всей «зеленой» биомассы на Земле. Своеобразие камбия в том, что из него одновременно «рождаются» два типа сосудистых тканей: ксилема, или древесина — в сторону сердцевины ствола и флоэма (кора) — наружу.
 
 
Ксилема обеспечивает восходящий ток воды и растворенных в ней питательных веществ, а флоэма — нисходящее движение сахаров и крахмалов, нужных для роста и развития клеток растений. Сформированные сосудистые ткани состоят из мертвых клеток, постоянно прирастающих в объеме за счет делящихся стволовых клеток камбия. Важно, что ксилема и флоэма образуются на протяжении всей жизни растения, а не только в эмбриональном периоде. Если «умирает» камбий, погибает и ствол растения.
 
Исследования проводились на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana), и хотя у нее нет древесины как таковой, растение обладает всеми генетическими механизмами для формирования этой ткани, что позволяет пользоваться преимуществами модельного объекта — небольшим размером, коротким жизненным циклом, хорошо изученным геномом. Именно на этом растении ранее ученые установили, что ауксин — своеобразный король растительных гормонов. Он регулирует множество процессов, среди которых способность растений поворачиваться к солнцу, реагировать на силу тяжести, а также управляет развитием органов растений — семян, корней, листьев и стеблей.
 
Генно-инженерные эксперименты помогли установить связь между белками, управляющими развитием камбия, и ауксином
 
Связь регуляции деления камбия с фитогормоном ауксином была установлена довольно давно, но на уровне управления активностью генов (во время считывания генетической информации) процесс впервые исследовался с такой высокой точностью. В ходе экспериментов ученые — участники международной коллаборации из Германии, Бельгии, Голландии и Испании провели сложную работу по созданию трансгенных растений, в которых были визуализированы основные белки-регуляторы (WOX4, ARFы и другие), контролирующие формирование и дальнейшую дифференцировку камбия — образование из него протофлоэмы и протоксилемы. Белки можно было наблюдать в изучаемых тканях под конфокальным микроскопом: при определенных длинах световых волн исследуемые белки флуоресцировали. Аналогичным образом авторы посмотрели распределение ауксина — для этого использовали сенсор, чувствительный к концентрации этого гормона, и о его присутствии в тканях, можно было также судить по свечению под микроскопом.
 

Трансгенные растения — те, в которых была изменена ДНК с помощью генно-инженерных методов. Цель таких модификаций — внедрить нехарактерную для растений генетическую конструкцию, которая может быть полезна для задач исследования. Например, подобная модификация может заставить определенный белок «отсвечивать» при исследовании под флуоресцентным микроскопом.

 
С помощью трансгенных растений ученым удалось установить активность белков-регуляторов ответа на ауксин в тех клетках камбия, из которых позже образуется ксилема (древесина). Визуализация регуляторных белков помогла установить, что в тех же клетках синтезируется и белок WOX4, и один из факторов ответа на ауксин, а именно — ARF5. Остальные белки-регуляторы ответа на ауксин — ARF3 и ARF4 также активны в камбии, но не специфически, так как они работают и в других тканях стебля.
 
Выращивание модельного растения Arabidopsis thaliana 
 
Чтобы доказать, что активные в клетках камбия белки WOX4, ARF5 и сенсор ответа на ауксин «играют в одной команде», ученые провели тщательное исследование активности регуляторных белков в мутантных растениях. В каждом мутантном растении один из исследуемых генов был поврежден, а значит, и кодируемый этим геном белок либо не синтезировался вовсе, либо был сломан и работал в растении хуже. Мутанты по ключевым регуляторам развития камбия имели существенные отличия в толщине слоя камбия. Более того, в мутантах по генам arf5 и wox4 проявились противоположные закономерности — у мутанта по arf5 слой стволовых клеток в стебле был шире, чем в нормальном растении, а у мутанта по wox4 — уже.
 

Ученые обозначают гены и синтезирующиеся с них белки одними и теми же буквами латинского алфавита, но разным шрифтом. Гены — курсивом и прописными, а белки — прямым текстом и прописными. В случае мутантов гены обозначаются курсивом и строчными буквами.

 
Интересно то, что более высокий уровень белка WOX4 (по сравнению с нормальным растением) был зафиксирован именно в мутанте по гену arf5. Это говорит о том, что когда белок ARF5 не синтезируется, он не влияет на экспрессию (процесс считывания генетической информации и ее реализации) гена WOX4 и, как следствие, экспрессия гена повышается. Собранные вместе, эти факты позволили авторам предположить, что ARF5 снижает активность WOX4.
 
Вклад новосибирских биоинформатиков
 
Далее у исследователей возник вопрос: есть ли посредники между регулятором ARF5 и WOX4 или первый напрямую воздействует на второй? Новосибирские ученые показали, что действие ARF5 на регуляцию синтеза белка WOX4 может быть прямым, предсказав два сайта «посадки» транскрипционного фактора ARF5 в районе гена WOX4. В экспериментах in vitro связывание ARF5 с одним из сайтов подтвердилось.
 
Сайт «посадки» — участок некодирующей последовательности ДНК, к которому присоединяется транскрипционный фактор (белок-регулятор), после чего начинается процесс считывания генетической информации и синтез белка. Сайтов «посадки» может быть несколько, и вероятности связывания транскрипционного фактора с каждым из них могут существенно различаться.
 
«Сложные отношения» фитогормона ауксина и гена WOX4 
 
— В ходе генно-инженерных экспериментов, наши коллеги пришли к выводу, что транскрипционный фактор (ТФ) ответа на ауксин — ARF5 влияет на активность другого ТФ «по имени» WOX4. Механизмов такой регуляции может быть множество, один из вариантов — регулятор должен «сесть» на ДНК в районе гена-мишени в строго определенное место — оно называется сайтом «посадки». Определить возможные сайты посадки для ARF5 в регуляторной части гена WOX4 длиной в несколько тысяч пар оснований было довольно сложно. Мы их смогли обнаружить с помощью биоинформатических методов, проанализировав данные о том, как «выглядят» известные сайты «посадки» для ARF5 в других генах. В нашем случае сайт «посадки» оказался последовательностью из восьми нуклеотидов, и мы локализовали два ее варианта в непосредственной близости с геном WOX4, — рассказала аспирантка ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Университета Вагенингена (Голландия), инженер лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета Дарья Новикова.
 
Международная группа авторов уточнила роль ауксина в росте растения в ширину, в частности для увеличения древесины. Выяснилось, что активность стволовых клеток стебля регулируют три фактора ответа на ауксин — ARF3, ARF4 и ARF5. Их распределение в тканях растения, так же как и других регуляторов развития камбия, удалось пронаблюдать в деталях благодаря комплексным генно-инженерным экспериментам.
 
Работа была выполнена при поддержке Немецкого научного фонда, Российского научного фонда.
 
Надежда Дмитриева

Источники

Найден новый белок-регулятор развития древесины
Наука в Сибири (sbras.info), 16/04/2018
Ученые обнаружили новый белок-регулятор развития древесины
Научная Россия (scientificrussia.ru), 02/05/2018

Похожие новости

  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    1881
  • 21/11/2016

    Технологии создания и применение ГМО

    В последние годы все чаще говорят о том, что мир стоит на пороге кардинальных изменений системы образования. И одна из первых «ласточек» этого процесса – MООС (массовые открытые онлайн-курсы) от университетов и колледжей.
    1230
  • 02/11/2017

    Новосибирские ученые нашли необычные генетические особенности у свободноживущего морского червя

    ​Новосибирские ученые под руководством заведующего кафедрой цитологии и генетики НГУ, заведующего лабораторией морфологии и функции клеточных структур Института цитологии и генетики СО РАН, доктора биологических наук Николая Рубцова предложили новую модель для изучения ранних этапов эволюции генома после полногеномной дупликации.
    553
  • 07/08/2018

    Неутомима, как силы природы

    ​Исследование систем репарации ДНК — «ремонта» этой сложной молекулы — поистине масштабная задача, решением которой занимаются передовые исследовательские коллективы и звезды мировой науки. Одна из них — заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН член-корреспондент РАН — Ольга Ивановна Лаврик отмечает юбилей.
    290
  • 28/08/2017

    После Дарвина и Энгельса: формула Колесникова

    ​Научная биография Чарльза Дарвина начиналась негромко. Вернувшись в 1836 году из кругосветного плаванья, он с 1838 года работал секретарем Лондонского геологического общества. И только в 1859-м опубликовал работу «Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», ставшую основой теории эволюции и самого понятия «дарвинизм».
    721
  • 04/10/2018

    Ночь научных историй пройдёт в Новосибирске

    За один вечер в новосибирском Академгородке прочтут 15 научно-популярных лекций и дадут ответы на вопросы участников.  Ночь научных историй пройдёт в воскресенье, 7 октября. Каждая лекция будет длиться по 30 минут, далее 15 минут уделят на вопросы-ответы, и 15 минут на перерыв, в течение которого можно будет перейти на другую площадку.
    579
  • 19/07/2018

    Клиника НИИКЭЛ - особый формат медицинского учреждения

    Клиника научно-исследовательского института — особое подразделение, требующее специальных условий, кадров и технологий. О специфике работы такой структуры и результатах объединения институтов в Федеральные исследовательские центры «Науке в Сибири» рассказал заместитель руководителя по научной и клинической работе в клинике Научно-исследовательского института клинической и экспериментальной лимфологии (филиал ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН») кандидат медицинских наук Максим Александрович Королев.
    260
  • 26/01/2017

    Новосибирские ученые создали клеточную модель болезни Хантингтона

    ​Биологи Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН создали клеточную линию, которая моделирует болезнь Хантингтона. Для этого учёные внесли необходимые мутации в клетки с помощью современной технологии редактирования генома CRISPR\Cas9.
    1576
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    3044
  • 05/12/2016

    Сибирские генетики и управление фотосинтезом

    ​Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.
    1773