Корень или побег: борьба за власть между генетическими «главными выключателями» определяет судьбу стволовых клеток
Первая задача любого зарождающегося зародыша растения — определить, какой конец станет побегом, а какой — корнем. Исследователи из Института Солка раскрыли «борьбу за территорию» между двумя группами антагонистических генетических «главных выключателей», которые устанавливают полярную ось растения с корнем на одном конце и побегом на другом.
«Пожалуй, самое важное решение для растения — установление оси корень/побег — происходит на ранних эмбриональных стадиях», — говорит ведущий автор исследования Джеффри А. Лонг. «Жёстко контролируемый баланс между двумя группами факторов транскрипции гарантирует, что они остаются на своих местах и не мешают друг другу».
Эмбриогенез растения создаёт очень простую структуру, содержащую две популяции стволовых клеток:
- Апикальная меристема побега, которая даст начало всем «надземным» органам (стеблю, листьям, цветам) и является местом фотосинтеза.
- Корневая меристема, которая формирует корневую систему, обеспечивающую растение водой и питательными веществами.
Результаты исследования были опубликованы 28 февраля 2010 года в онлайн-версии журнала Nature.
Изучая, почему дефектный ген TOPLESS нарушает базовую архитектуру растения (мутантные зародыши развиваются в проросток со вторым корнем вместо побега), команда Лонга обнаружила, что функциональный TOPLESS кодирует белок-репрессор. Он инактивирует гены, которые в противном случае вызвали бы развитие корня в побеговой части растения.
В ходе работы аспирант Зачери Р. Смит выяснил, что эти гены, меняющие судьбу клеток, — хорошо известные PLETHORA 1 и 2. Ранее было известно, что они выступают главными регуляторами, определяющими идентичность корневой меристемы.
«Без TOPLESS, который удерживает их в выключенном состоянии, эти два фактора транскрипции получают свободу навязать свою волю верхней половине зародыша, что приводит к развитию второго корня вместо побега», — объясняет Смит.
Разобравшись с иерархией «подземной» части, учёные искали главные регуляторы развития побега. В результате скрининга десятков тысяч мутантных растений Смит обнаружил подходящего кандидата — представителя факторов транскрипции CLASS III HD-ZIP, известного как PHABULOSA.
Когда исследователи принудительно экспрессировали гены семейства CLASS III HD-ZIP на традиционной «территории» дуэта PLETHORA, это превращало корень в побег, создавая проросток с листьями на обоих концах. «Хотя было известно, что HD-ZIP участвуют во многих аспектах полярности растений, никто ранее не показывал, что они могут превратить корневой полюс в побеговый», — говорит Лонг. «Этот и другие эксперименты показали, что гены HD-ZIP III являются главными регуляторами апикальной (верхушечной) судьбы в раннем эмбриогенезе».
Дальнейшие исследования выявили антагонистические отношения между генами PLETHORA и HD-ZIP III. Обе группы находятся под множественным регуляторным контролем, который обеспечивает правильное пространственное распределение и апикально-базальный паттерн (рисунок развития).