Зафиксировав быстрый рост пыльцевой трубки на камеру, исследователи раскрыли процесс оплодотворения растений

Изучая пыльцевые трубки, клеточный биолог растений Питер Хеплер из Университета Массачусетса в Амхерсте и его коллеги впервые засняли на камеру одну из самых быстрорастущих известных тканей. Это продвигает понимание процессов оплодотворения, критически важных для развития всех фруктов, орехов, зерновых, риса, кукурузы, пшеницы и других культур, от которых зависит наше питание.

Растущие со скоростью около 2–3 нанометров в секунду (примерно в 50 раз быстрее, чем нервные клетки животных), кончики пыльцевых трубок, как полагают, достигают почти верхнего предела скорости роста клеток. Каждая трубка переносит два спермия растения через пестик для оплодотворения яйцеклетки и её запаса питательных веществ — эндосперма. Зачем такая спешка? Потому что, как объясняет Хеплер, первая пыльцевая трубка, достигшая яйцеклетки, доставляет свою ДНК следующему поколению и выигрывает гонку естественного отбора.

В текущей работе, являющейся кульминацией многолетних исследований Хеплера и коллег, сообщается о результатах в двух недавних статьях в журналах Plant Cell и Plant Physiology. Исследование поддержано Национальным научным фондом (NSF).

Наблюдение за осциллирующим ростом

Используя два разных метода визуализации — флуоресцентную маркировку и интерференционный оптический контраст, — исследователи теперь могут детектировать, как строительные блоки пектинов упаковываются в везикулы внутри трубки, а затем транспортируются акто-миозиновой системой (как мышцы) к кончику. Там везикулы сливаются с мембраной кончика и секретируют своё содержимое для построения новой клеточной стенки.

Видеозаписи показывают, что по мере утолщения новый материал становится «тяжелее» в верхней части, подобно нарастающей океанской волне, удлиняется, а затем внезапно продвигается вперёд на несколько микрометров. Рост продолжается такими колебаниями, или волнами: утолщение, накопление и рывок вперёд, пока трубка не достигнет цели и не доставит спермии.

«Мы постепенно собираем воедино, как это работает. Это очень захватывающе, потому что такая осциллирующая модель роста кончиков пыльцевых трубок никогда раньше не наблюдалась напрямую», — отмечает Хеплер.

Роль тургорного давления

Успех в наблюдении мельчайших деталей ослабления и утолщения клеточной стенки растущего кончика в предсказуемых колебаниях возрождает интерес к роли тургорного давления. Новые исследования Хеплера и коллег поддерживают идею о том, что отложения пектина встраиваются в матрицу стенки под действием тургорного давления. В этом процессе, называемом интуссусцепцией, вновь вставленные молекулы пектина ослабляют существующую структуру стенки и позволяют кончику расширяться, а трубке — расти.

«Мы считаем, что наши наблюдения подтверждают идею, что уступчивость клеточной стенки зависит от вставки новых строительных материалов — пектинов — в существующую матрицу. Этого достаточно, чтобы ослабить существующие связи в клеточной стенке и позволить ей растягиваться, но не разрываться. Это похоже на контролируемый прорыв плотины, пока кончик не достигнет яйцеклетки», — объясняет Хеплер.

Энергетика роста

Второе недавнее исследование под руководством постдока Калеба Раундса изучило энергетические требования для осциллирующего роста пыльцевой трубки. Оказалось, что рост не ограничивается привычным окислительным метаболизмом. Обработка пыльцевых трубок ингибиторами роста, включая цианид, олигомицин и антимицин-А, показала, что трубки могут выдерживать такие токсины. После периода адаптации они снова начинают расти, хотя и с меньшей скоростью, но всё ещё демонстрируя описанные выше колебания роста.

Более того, ингибированные пыльцевые трубки начинают производить этанол. «Короче говоря, они переключились с окислительного фосфорилирования на аэробное брожение как на путь, хоть и неэффективный, для производства энергии для роста», — говорит Хеплер.