Визуализация жизни цветов раскрывает тайны размножения растений

Учёные разработали метод визуализации полового размножения в живых цветах, согласно исследованию, опубликованному в открытом доступе в журнале eLife.

Новая методика, впервые описанная на bioRxiv, позволяет впервые записывать видео фундаментальных процессов развития цветка и открывает новые пути для исследований полового размножения растений.

Размножение растений происходит в пыльниках и завязях развивающихся цветков, что приводит к образованию пыльцы и зародышевого мешка, содержащего мужские и женские половые клетки. Их формирование включает оба типа деления клеток — мейоз и митоз. После образования эти клетки сливаются при оплодотворении, давая начало клетке, из которой развивается растение.

Большая часть наших знаний о репродуктивных процессах растений получена при изучении срезов под микроскопом и аномалий, вызванных мутациями в генах, связанных с размножением. Однако эти методы не дают информации о том, где и когда происходят различные события. Прижизненная визуализация позволяет зафиксировать эти важные детали.

"Прижизненная визуализация была ключевым инструментом в исследованиях роста и развития корней, но визуализация клеточных процессов внутри цветка технически гораздо сложнее", — объясняет соавтор Сона Валухова, постдок в Центральноевропейском технологическом институте Университета Масарика (Чехия). — "Необходимо разрабатывать методы визуализации в контексте целых органов или растений".

Валухова и её коллеги использовали метод микроскопии светового листа (light sheet fluorescence microscopy, LSFM), при котором образец перемещается через тонкий слой лазерного света, а детектор фиксирует трёхмерные данные. Таким образом, целый цветок, помещённый в агар, можно быстро отсканировать, перемещая его через плоскость света. Получаемая 3D-модель показывает сложные детали структуры цветка и позволяет отслеживать судьбу отдельных половых клеток внутри него.

Показав, что LSFM может давать высокодетальные изображения цветов, команда поставила следующую цель — доказать, что метод может фиксировать конкретные события размножения. Для этого они использовали цветки, в которых ключевые молекулы, участвующие в мейозе и митозе, были помечены флуоресцентными метками. Им удалось запечатлеть весь процесс мейоза в мужских половых клетках, детектируя изменения в количестве и локализации молекулы ASY1 каждый час в течение четырёх дней.

Команда также продемонстрировала, что метод можно успешно использовать для изучения уровня гормонов растений на разных стадиях развития цветка и для наблюдения за движением хромосом в клетке во время деления.

Одной из самых малоизученных областей в исследовании размножения растений является образование женских половых клеток в ходе женского мейоза. Большинство исследований мейоза растений сосредоточено на мужских клетках, потому что их женский эквивалент — мегаспороцит — встречается крайне редко и выглядит очень похоже на другие клетки, что затрудняет его изучение. Чтобы преодолеть это, команда разработала специальную версию прижизненной визуализации для женского мейоза. "Это потребовало аккуратного вскрытия цветочной почки для обнажения семязачатков, которые затем сканировались лазерным лучом каждые 10 минут в течение 24 часов для создания 3D-фильма", — говорит соавтор Павлина Микулкова, также старший научный сотрудник Центральноевропейского технологического института. — "С помощью этой техники мы смогли записать две фазы женского мейоза и определить продолжительность каждой".

"Эта работа демонстрирует мощь LSFM для получения новой информации о размножении растений, которую ранее нельзя было изучить с помощью других типов микроскопии", — заключает старший исследователь Карел Ржига, заместитель директора по науке Центральноевропейского технологического института. — "Наш успех в разработке протокола прижизненной визуализации для женского мейоза представляет собой значительный технический прорыв в биологии растительной клетки".