Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Не аист принес: как новое растение появляется на свет

Для начала давайте коротко повторим процесс размножения цветковых растений (рис. 1). Растения часто кажутся нам представителями параллельной вселенной — неподвижные, способные сами получать энергию из света и создавать органическое вещество, не имеющие выраженной нервной системы. Однако в общих чертах их развитие подобно развитию животных: после прорастания мужского гаметофита (пыльцевого зерна) внутрь женского гаметофита (завязи внутри пестика) происходит оплодотворение яйцеклетки спермием, после чего зигота развивается в эмбрион. В эмбрионе происходит упорядоченное деление клеток, из стволовых клеток дифференцируются типы тканей, и в зрелом семени цветковых растений присутствует зародыш — молодое растение с зачаточным корнем, стеблем, листьями.

Однако у цветковых растений есть два важных отличия.

Первое — в жизненном цикле растений чередуется гаплоидное половое (гаметофит) и диплоидное бесполое (спорофит) поколения. Более подробно с эволюцией чередования поколений у растений можно ознакомиться в статье [1]. У цветковых растений доминирующим является бесполое, то есть чисто технически те привычные зеленые растения, которые мы видим, нельзя назвать «мамой» и «папой», так как сами они дают начало не гаметам, а спорам. Из спор развивается половое поколение — гаметофиты, которые дают мужские и женские гаметы. Все это происходит внутри цветка на «родительских» спорофитах.

Вторым отличием, характерным только для цветковых растений, является двойное оплодотворение. Одна из мужских гамет оплодотворяет яйцеклетку, а вторая — центральное ядро и дает начало эндосперму, который у многих цветковых растений служит запасом питательных веществ. Таким образом, мужские гаметы у растений дают толчок к развитию не только самого дочернего организма, но и к накоплению питательных веществ для нового растения.

Как мы увидим в дальнейшем обсуждении апомиксиса, эти два процесса — развитие зародыша и развитие эндосперма — регулируются разными молекулярными путями.

Асексуальная эволюция

Развитие потомства из яйцеклетки без оплодотворения называется партеногенезом, у растений партеногенез еще называют апомиксисом. При апомиксисе предшественником эмбриона является диплоидная яйцеклетка, которая начинает делиться и развиваться даже в отсутствие оплодотворения и сигнала от мужской гаметы. Явление распространено среди совсем отдаленных групп цветковых — и однодольных, и двудольных [11], что говорит о том, что в эволюции оно возникало независимо несколько раз. Подтверждением служит также наличие нескольких вариантов апомиксиса (рис. 2). Варианты различаются происхождением диплоидности яйцеклетки — это может произойти за счет нарушения мейоза при формировании гаметофита либо за счет формирования эмбриона из диплоидных тканей спорофита. Они также различаются происхождением эндосперма: иногда для его формирования все-таки нужна мужская гамета, а иногда он формируется независимо, как и зародыш [12].

Многие виды растений, практикующих апомиксис, пользуются им факультативно: в популяции присутствуют особи, размножающиеся как половым, так и бесполым путем. У апомиктичных видов растений часто встречается полиплоидия. Ученые пока не знают, является ли полиплоидия «курицей» или «яйцом» в появлении апомиксиса в популяции [13]. Но однозначно апомиксис способствует размножению полиплоидов, так как они часто имеют нарушения в мейозе (подробнее о проблемах полиплоидов можно прочитать здесь [14]). А полиплоиды могут иметь преимущества в борьбе за существование, так как несут различные аллельные варианты генов (это верно не только для растений [15]). В то же время бесполое размножение способствует накоплению вредных мутаций. Согласно модели храповика Меллера, при половом размножении вредоносные мутации могут перекомпоноваться в одну из хромосом, таким образом «очистив» другую. При бесполом размножении потомок будет полностью идентичен матери и содержать все мутации от нее. Подтверждение храповика Меллера можно заметить при скрещивании некоторых апомиктических популяций с их «сексуальными» собратьями: даже если потомство может формировать гаплоидные гаметы, их частота снижена, возможно, из-за рецессивных мутаций [16].

Апомиксис — кошмар Грегора Менделя?

Наверное, самые известные примеры апомиксиса мы можем очень часто замечать под ногами — это сложноцветные: одуванчик и ястребинка (рис. 3).

Одуванчик лекарственный очень широко распространен в мире, и встречаются его популяции как с апомиксисом, так и с половым размножением. При этом набор хромосом у особей, придерживающихся полового размножения, диплоиден, а у апомиктических видов — триплоидный. Апомиктичный одуванчик можно опылить пыльцой его менее «пуританской» родни и получить диплоидное, триплоидное и тетраплоидное потомство, часть из которого способна к размножению дальше (рис. 4) [16].

В учебниках генетики любят упоминать родственника одуванчика — ястребинку. Столь известной ее апомиксис сделал основатель генетики Грегор Мендель. Он искал подтверждение своему закону расщепления гибридов второго поколения на других растениях, помимо гороха. Ястребинку описывают как «неудачу» всей его жизни: он потратил восемь лет и методично показал, что у ястребинки потомство идентично матери, а не расщепляется со знаменитым соотношением 3:1 [17], [18]. В итоге Мендель заключил, что ястребинка живет по другим законам наследственности. Но действительно ли это было неудачей? Давайте посмотрим в следующих разделах статьи.

В поисках гена апомиксиса

Главным вопросом остается, какой механизм позволяет эмбриону одуванчика внезапно начать развиваться без оплодотворения, и почему большинство растений Земли так не умеет и все-таки предпочитает половое размножение? Ученые недавно попробовала ответить на этот вопрос [17]. Для этого они облучили апомиктические одуванчики гамма-лучами и отобрали мутанта, который не продуцировал семена без оплодотворения (рис. 5). Мутант при этом имел эндосперм (так как он развивается у апомиктичного одуванчика независимо от зародыша) и мог давать тетраплоидное потомство при опылении диплоидными особями из «сексуальных» популяций — то есть он мог формировать гаметы и не проходил мейоз (непрохождение мейоза также регулируется независимо от эмбриогенеза), но именно способность включать деление зиготы у него отсутствовала.

В этом мутанте идентифицировали нарушение в локусе PARTHENOGENESIS (PAR) — участке генома, ответственном за признак развития без оплодотворения у триплоидных популяций одуванчиков. Однако первоначальный анализ мутантов выявил слишком широкую область генома со множеством генов, и поиск еще необходимо было сузить до конкретного белка. Для этого ученые применили два независимых подхода — точечное геномное редактирование с помощью CRISPR-Cas9 и анализ экспрессии кандидатных генов с помощью РНК-секвенирования тканей женского гаметофита и эмбрионов одуванчика, отобранных с помощью лазерной микродиссекции. В конце концов искомый ген был найден — он оказался транскрипционным фактором, активным в зрелой яйцеклетке апомиктических одуванчиков, но неактивным у особей, размножающихся половым путем (рис. 6). У последних ген PAR на высоком уровне экспрессируется в пыльце, что может говорить о его роли в «отцовской» регуляции эмбриогенеза.

В чем же отличие гена PAR у апомиктических и «половых» особей?

Оно кроется не в самом белке, а в регуляторной области гена — промоторе. Оказалось, что у апомиктического одуванчика в промотор гена PAR встроился транспозон, который нарушил его регуляцию и заставил активироваться там, где раньше было не положено. Такое драматическое влияние транспозонов на развитие организма — не первый пример в науке о растениях. Когда-то предок культурной кукурузы благодаря схожему транспозону потерял способность ветвиться [19]. Однако история одуванчика и апомиксиса тем более интересна, что схожую инсерцию обнаружили и в ястребинке [17]. Причем транспозон там имеет отличную нуклеотидную последовательность и встроился в другой участок, то есть это независимое событие, которое привело к схожему фенотипу апомиксиса и, возможно, было поддержано отбором. Так что апомиксис у сложноцветных можно считать примером параллелизма в эволюции — схожий признак хоть и возник независимо, но не совсем случайно, ведь у двух видов был схожий ген, при поломке которого развился сходный признак.

От сорняка к культурным растениям

Работа по открытию локуса апомиксиса примечательна не только своим занимательным описанием сорняка — символа наступающего лета. К сожалению, этот удивительный признак присущ только диким, а не культурным растениям, хотя его и можно найти у их диких родственников (в семействах сложноцветных и злаковых есть дикие апомиктичные виды). Апомиксис — потенциальная возможность закрепить в культурных растениях гибридный признак без необходимости скрещивать чистые линии в каждом поколении (рис. 7) [20]. Например, у гибридных растений часто наблюдается гетерозис — «улучшение» признака по сравнению с родительскими линиями. Апомиксис поспособствовал бы введению в культуру полиплоидных растений с новыми признаками, в том числе и гибридов между культурными растениями и их дикими предками, которые могут содержать новые гены устойчивости к вредителям или неблагоприятному климату. Также апомиксис позволил бы обойти самонесовместимость — часть растений не способна самоопыляться, из-за чего нужна обязательно пыльца другой особи, у которой может не быть желаемого признака [21].

Авторы исследования одуванчика смогли создать ГМ-растение салата-латука с экспрессией гена PAR одуванчика в яйцеклетке. Результат оказался предсказуемым и потрясающим одновременно — салат тоже «научился» апомиксису! На рисунке 8 можно увидеть гаплоидные эмбрионы, развивающиеся в завязи салата без оплодотворения. К сожалению, они не развивались дальше определенной стадии, возможно, из-за дефектов развития эндосперма.

Конечно, праздновать триумф пока рано: салат, как одуванчик и ястребинка, принадлежит к семейству сложноцветных, то есть является их родственником. В других группах растений апомиксис может развиваться по иным механизмам. Но и за пределами семейства сложноцветных есть попытки создать «бесполые семена», например, у риса [23]. Правда, в этом случае пришлось вмешаться в работу нескольких генов — тех, которые предотвращают мейоз, и тех, что запускают эмбриогенез. Не исключено, что в будущем для генной инженерии сортов редактирования одного гена будет недостаточно, ведь эмбрионы салата с одним геном одуванчика не смогли развиться в полноценное растение. Апомиксис является сложным признаком, и за него на разных этапах отвечают разные гены.

Заключение

Биология развития растений не уступает по красоте и сложности науке о животных, а в силу меньшей изученности может таить даже больше загадок. В этой статье мне хотелось показать, что «скучная школьная ботаника» — на самом деле динамичная молодая наука, сочетающая в себе опыты на модельных и немодельных видах, популяционные и молекулярные исследования, экспериментальные и вычислительные подходы. И кто знает, может быть, настанет день, когда из лабораторий знания о развитии арабидопсиса и одуванчика шагнут в поля и спасут нас от глобальных проблем.

Литература

1. Любовь растений;
2. Модельные организмы: арабидопсис;
3. Debra J Skinner, Venkatesan Sundaresan. (2018). Recent advances in understanding female gametophyte development. F1000Res. 7, 804;
4. M. Borg, L. Brownfield, D. Twell. (2009). Male gametophyte development: a molecular perspective. Journal of Experimental Botany. 60, 1465-1478;
5. Honys D., Reňák D., Twell D. (2006). Male Gametophyte Development and Function. Plant Biotechnol. 1, 209–224;
6. Colette A. ten Hove, Kuan-Ju Lu, Dolf Weijers. (2015). Building a plant: cell fate specification in the early Arabidopsis embryo. Development. 142, 420-430;
7. Rachele Tofanelli, Athul Vijayan, Sebastian Scholz, Kay Schneitz. (2019). Protocol for rapid clearing and staining of fixed Arabidopsis ovules for improved imaging by confocal laser scanning microscopy. Plant Methods. 15;
8. Mohammad Foteh Ali, Umma Fatema, Xiongbo Peng, Samuel W. Hacker, Daisuke Maruyama, et. al.. (2020). ARP2/3-independent WAVE/SCAR pathway and class XI myosin control sperm nuclear migration in flowering plants. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 117, 32757-32763;
9. Sona Valuchova, Pavlina Mikulkova, Jana Pecinkova, Jana Klimova, Michal Krumnikl, et. al.. (2020). Imaging plant germline differentiation within Arabidopsis flowers by light sheet microscopy. eLife. 9;
10. Yang-Yang Zheng, Xian-Ju Lin, Hui-Min Liang, Fang-Fei Wang, Li-Yu Chen. (2018). The Long Journey of Pollen Tube in the Pistil. IJMS. 19, 3529;
11. Xitong Fei, Jingwei Shi, Yulin Liu, Jinshuang Niu, Anzhi Wei. (2019). The steps from sexual reproduction to apomixis. Planta. 249, 1715-1730;
12. Peter J. van Dijk. (2003). Ecological and evolutionary opportunities of apomixis: insights from Taraxacum and Chondrilla. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 358, 1113-1121;
13. Diego Hojsgaard, Elvira Hörandl. (2019). The Rise of Apomixis in Natural Plant Populations. Front. Plant Sci.. 10;
14. Аллополиплоидия, или Как разные геномы научились жить под одной крышей;
15. Полиплоидные дрожжи быстрее адаптируются к трудным условиям;
16. Peter J Van Dijk, Inge C Q Tas, Matthieu Falque, Tanja Bakx-Schotman. (1999). Crosses between sexual and apomictic dandelions (Taraxacum). II. The breakdown of apomixis. Heredity. 83, 715-721;
17. Charles J. Underwood, Kitty Vijverberg, Diana Rigola, Shunsuke Okamoto, Carla Oplaat, et. al.. (2022). A PARTHENOGENESIS allele from apomictic dandelion can induce egg cell division without fertilization in lettuce. Nat Genet. 54, 84-93;
18. A. M. G. Koltunow, S. D. Johnson, T. Okada. (2011). Apomixis in hawkweed: Mendel's experimental nemesis. Journal of Experimental Botany. 62, 1699-1707;
19. Liangliang Zhou, Junya Zhang, Jianbing Yan, Rentao Song. (2011). Two transposable element insertions are causative mutations for the major domestication gene teosinte branched 1 in modern maize. Cell Res. 21, 1267-1270;
20. Christian Sailer, Bernhard Schmid, Ueli Grossniklaus. (2016). Apomixis Allows the Transgenerational Fixation of Phenotypes in Hybrid Plants. Current Biology. 26, 331-337;
21. Gianni Barcaccia, Emidio Albertini. (2013). Apomixis in plant reproduction: a novel perspective on an old dilemma. Plant Reprod. 26, 159-179;
22. Charles J. Underwood, Raphael Mercier. (2022). Engineering Apomixis: Clonal Seeds Approaching the Fields. Annu. Rev. Plant Biol.. 73, 201-225;
23. Imtiyaz Khanday, Debra Skinner, Bing Yang, Raphael Mercier, Venkatesan Sundaresan. (2019). A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds. Nature. 565, 91-95.