Клетки кукурузы становятся половыми от нехватки кислорода

Кукурузное поле. Изображение с сайта лаборатории Вирджинии Уолбот

"Nature or nurture?" - "Природа или воспитание?". Что в жизни определяется наследственностью, а что - влиянием окружающей среды? Что заложено изначально, а что можно попробовать изменить? И если что-то определено генетически, а что-то - меняется под действием окружения, то как отличить одно от другого? Этот вопрос можно сформулировать очень широко: насколько влияет на развитие цивилизации ее генофонд, а насколько - окружающая обстановка? А можно очень узко: в какой степени судьба делящейся клетки определяется ее происхождением, а в какой - средой, в которой она находится? И если исчерпывающий ответ на первый вопрос вряд ли когда-нибудь будет получен, то ответ на один частный случай второго вопроса был опубликован в свежем номере Science. Американским исследователям удалось доказать, что развитие мужских половых клеток у кукурузы определяется не наследственностью, а исключительно окружающей средой.

У животных и растений половые клетки развиваются по-разному. В животном организме еще на ранней стадии эмбрионального развития появляется отдельная клеточная линия, из клеток которой потом созревают гаметы. Если эта линия по какой-то причине будет уничтожена, организм навсегда останется бесплодным. Растения же могут позволить себе роскошь производить половые клетки по мере надобности, уже во взрослом возрасте.

Почему же растительные клетки становятся половыми - потому ли, что они произошли из каких-то особенных, "предполовых", предшественников, или их вынудила сделать это окружающая обстановка? Чтобы узнать это, Вирджиния Уолбот (Virginia Walbot), руководительница лаборатории в Стэнфордском университете, и ее студент Тимоти Келлихер (Timothy Kelliher) провели доскональное исследование развития пыльцы в пыльниках кукурузы.

Для начала ученые проследили за тем, как в норме развиваются кукурузные пыльники и откуда в них, собственно, берутся половые клетки. Стоит отметить героизм авторов работы: почти все исследования они проводили "вручную", разглядывая пыльники на разных стадиях развития под конфокальным микроскопом. За всё время исследования было рассмотрено несколько тысяч препаратов.

В результате выяснилось следующее. В самых молодых, коротеньких пыльниках обнаруживаются группы клеток, которые ведут начало от меристемы - образовательной ткани, которая играет у растения примерно ту же роль, что и стволовые клетки у животных. Эти клетки впоследствии могут дифференцироваться либо в археспории (те клетки, которые дадут начало пыльце), либо во вспомогательные соматические клетки. Каждый пыльник состоит из четырех долек, и археспориальные клетки развиваются в центре дольки, а вспомогательные окружают их со всех сторон.

Почему же одни клетки меристемы дают начало археспориям, а другие - вспомогательным клеткам? От чего это зависит? От наследственности (археспории и вспомогательные клетки развиваются из разных видов клеток меристемы) или от окружающей среды (клетки меристемы идентичны, и будущее развивающейся клетки зависит только от ее положения: если она окажется в середине, то станет половой, если же на периферии - вспомогательной)? И если дело в окружающей среде, то какой фактор этой среды определяет судьбу клетки?

Для ответа на этот вопрос исследователи подробнее изучили гены, которые необходимы для правильного развития пыльника. Один из этих генов, msca1, представлял особенный интерес. Кодируемый данным геном белок MSCA1 катализирует некоторые окислительно-восстановительные реакции и потому очень чувствителен к изменению в клетке окислительно-восстановительного баланса (или редокс-баланса, от англ. redox, reduction-oxidation) и в том числе к уровню кислорода. Это навело исследователей на мысль, что именно окислительно-восстановительный баланс и определяет, станет ли клетка половой или останется соматической. (В некоторых предыдущих исследованиях уже была показана важность редокс-баланса при дифференцировке различных типов клеток у растений.)

У кукурузы метелки, на которых образуются пыльники, в момент созревания завернуты в "кокон" из молодых, еще не фотосинтезирующих листьев настолько крепко, что к ним почти не проникает свежий воздух; разворачивается этот кокон уже к тому моменту, когда пыльники созрели. Значит, в момент созревания пыльники подвергаются гипоксии, и меньше всего воздуха проходит в центральную часть долек, туда, где и образуются половые клетки. То есть, по предположению исследователей, дифференцировка половых клеток проходит так. Пыльники находятся в "душной" атмосфере (при низком содержании кислорода), причем меньше всего кислорода достается центральным клеткам. Белок MSCA1, экспрессирующийся в клетках пыльников, ведет себя тем активнее, чем меньше кислорода вокруг; если он достаточно активен, то клетка становится археспорием. Кроме того, дифференцируясь, археспории выделяют особый белок, MAC1, который заставляет окружающие их клетки стать вспомогательными.

Оставалось проверить это предположение на практике.

Вначале исследователи убедились, что уровень кислорода вокруг созревающих пыльников действительно очень низок (он составлял всего 1,2-1,4%, в то время как в окружающем нас воздухе кислорода около 21%). Причем всего через несколько дней, когда листья чуть разворачивались, уровень кислорода увеличивался уже до 5%.

Теперь надо было доказать, что гипоксия действительно влияет на развитие пыльников. Исследователи сделали это просто и изящно: в "кокон" из листьев они накачали либо кислород, либо азот, и посмотрели, как это скажется на развитии археспориев.

Как и ожидали ученые, при повышении уровня кислорода количество археспориев резко уменьшается, а при его понижении (когда пыльники оказываются в атмосфере азота) - наоборот, значительно увеличивается. При этом и в том и в другом случае археспории могут развиваться эктопически - то есть не там, где надо: в "окислительной" атмосфере повышенного кислорода они "сползаются" к центру и появляются даже на месте васкулатуры (сосудистой системы, расположенной в самой середине пыльника); в "восстановительной" атмосфере азота они, наоборот, "расползаются" по периферии и развиваются, например, на месте самых наружных эпидермальных клеток. Все это блестяще подтверждает первоначальную теорию о том, что именно уровень кислорода и определяет судьбу дифференцирующихся клеток пыльника.

Однако тут возникает еще один вопрос: насколько общим является исследованный механизм? Ведь созревающие пыльники "прячутся" в листовом коконе отнюдь не у всех растений. Если другие растения тоже используют низкий уровень кислорода для дифференциации клеток пыльников, то им придется искусственно устраивать этим пыльникам гипоксию. Как они это делают (и делают ли вообще)? Будем надеяться, что дальнейшие исследования найдут ответ на этот вопрос.