Биоэнергетика быстрого роста пыльцевой трубки

Пыльцевые трубки — самые быстрорастущие растительные клетки. Скорость роста пыльцевой трубки кукурузы достигает 2,8 микрон в секунду, лилии — 0,2–0,3 микрон в секунду. Такой полярный рост требует огромного количества энергии для метаболизма и синтеза мембраны и клеточной стенки.

Исследовательская группа доктора Буна Леонга Лима из Гонконгского университета разработала практические биосенсоры для измерения в реальном времени динамических изменений энергетических валют (ATP, NADPH, NADH) в живых растительных клетках и органеллах. Это позволило выяснить, как пыльцевые трубки Arabidopsis получают энергию для поддержания быстрого роста.

Пыльцевые трубки не осуществляют фотосинтез и в основном полагаются на поставку сахара из столбика для генерации энергии. Жирные кислоты (FA), строительные блоки плазматической мембраны, синтезируются в пыльцевом пластиде — предшественнике хлоропласта без хлорофилла. Синтез FA в пластиде потребляет большое количество ATP, NADPH, NADH и ацетил-кофермента А (ацетил-CoA).

Ключевые открытия:

  • Источник цитозольного ATP: Митохондриальное дыхание — основной источник ATP в цитозоле.
  • Источник пластидного ATP: Основной поставщик — пластидный гликолиз, а также импорт из цитозоля через транспортёр нуклеотидов (NTT) на мембране пластида.
  • Источник пластидного NADPH: Пластидная малатдегидрогеназа (NADP-ME4) — более важный путь, чем окислительный пентозофосфатный путь (OPPP).
  • Источник ацетил-CoA для синтеза FA: В пыльцевых трубках Arabidopsis пластидный гликолиз — более важный источник, чем анаэробное дыхание или PDH-обходной путь (важные для табака).
  • Баланс NADH/NAD+ в пластидах: Избыток NADH, образующийся при пластидном гликолизе и PDH-пути, должен превращаться обратно в NAD+ с помощью NAD-малатдегидрогеназы (plNAD-MDH) для поддержания гликолиза.

Исследование не только представило новые практические биосенсоры, но и раскрыло точные биохимические пути снабжения пластид ATP, NADPH, NADH и ацетил-CoA для синтеза жирных кислот. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications в статье "Bioenergetics of pollen tube growth in Arabidopsis thaliana revealed by ratiometric genetically encoded biosensors".