Международная группа исследователей из НГУ, Института цитологии и генетики СО РАН и Национального университета Сингапура обнаружила и исследовала уникальный механизм адаптации к холоду у растений: чтобы пережить пониженные температуры и сохранить свои стволовые клетки, растения жертвуют только что родившимися клетками кончика корня. Статья опубликована в высокорейтинговом научном журнале CELL.
Неожиданный эффект пониженных температур (4° С), продолжительностью от 16 до 72 часов впервые был обнаружен группой профессора Чен Ксу из Сингапура. Когда растение «мерзнет», в стволовых клетках корня начинаются повреждения ДНК. Они обратимы, но деление клетки с нарушенной ДНК может привести к гибели ее потомков. При холодовом стрессе растения такую роль на себя часто берет стволовая клетка корневого чехлика (концевой частик корня) — одна из ее дочерних клеток гибнет сразу после «рождения». Интересно, что растение в целом только выигрывает от этой клеточной смерти — оно быстрее восстанавливается после холода и становится менее восприимчивым к последующим стрессам, например к засухе.
У любого растения есть две главные ниши стволовых клеток — в кончике корня и на верхушке побега, из них образуются все остальные клетки растения. В нише стволовых клеток корня выделяют покоящийся центр, который обеспечивает ее поддержание — его клетки редко делятся, но сигнализируют остальным оставаться стволовыми, то есть сохранять возможность превращаться в клетки любого типа. Для благополучного развития корня важно, чтобы покоящийся центр и окружающая его ниша стволовых клеток не нарушалась — это достигается за счет высокой концентрации главного растительного гормона ауксина в покоящемся центре.
— Наши коллеги открыли механизм защиты корня, о котором ранее ничего не было известно. Это своего рода эффект «закаливания» у растения. Низкие температуры губительны для растения, однако кратковременная обработка пониженными температурами, напротив, может обернуться преимуществом. В этом случае гибнут только клетки кончика корня, жизнь которых и так коротка, в то время как остальные ткани остаются неповрежденными, — пояснила заведующая лабораторией компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики НГУ, заведующая сектором системной биологии морфогенеза растений Института цитологии и генетики СО РАН кандидат биологических наук Виктория Миронова.
Для понимания механизма суицидальных наклонностей клеток корневого чехлика новосибирские биоинформатики создали математическую модель, по сути систему с большим количеством уравнений. Механизм регулируется на генетическом уровне с помощью активации работы нескольких групп генов и кодируемых ими белков, ответственных за транспорт ауксина.
— Наша модель позволяет говорить о том, что происходит с фитогормоном ауксином и его транспортерами, так называемыми PIN-белками. Моделирование показало, что в холодных условиях, когда происходит деление клеток центральной части корневого чехлика, концентрация гормона в покоящемся центре падает, и это создает угрозу для дальнейшей жизни растения. Когда же эти клетки погибают, концентрация гормона восстанавливается, что позволяет сохранить нишу стволовых клеток. Наше предсказание проверили исследователи из Сингапура — и действительно, они обнаружили, что экспрессия гена WOX5 — одного из основных регуляторов поддержания ниши стволовых клеток — снижается при отсутствии гибели дочерних клеток, в сравнении с корнями, где смерть клеток имела место, — говорит ведущий инженер лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики НГУ, младший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН Мария Савина.
В руках ученых сейчас появился простой инструмент для исследования поведения ниши стволовых клеток в ответ на абиотический стресс, а широкое распространение растений типа резуховидки Таля в Северном полушарии позволит понять генетические механизмы приспособления растений к холоду, так как линии этого растения, отличающиеся по приспособленности к холодовому стрессу, скорее всего, будут нести мутации в ключевых генах холодового стресса.
Продолжение этих исследований принесет ощутимую пользу сельскому хозяйству: уже сейчас очевидно, что обработка ауксином посадок перед похолоданием может позволить благополучно их пережить и возобновить быстрый рост при потеплении. Полезной в будущем окажется и математическая модель, ведь ее можно использовать для исследования эффектов других стрессов и выявления способов снижения негативных последствий.
Возможно, результаты авторов могут пригодиться и для исследования способов адаптации к холоду у млекопитающих, т.к. организация ниш стволовых клеток, функционирование, чувствительность к стрессу сходны у животных и растений.
Сотрудники лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики НГУ читают курсы студентам ФЕН НГУ
