Ученые раскрыли новые регуляторы стволовых клеток растений для повышения урожайности

Тонкий срез початка кукурузы на очень ранней стадии развития (около 3 миллиметров в длину). Каждый цвет представляет экспрессию разных генов в стволовых клетках и связанных клетках. Автор: Jackson lab/CSHL

Стволовые клетки растений играют ключевую роль в мировом производстве продуктов питания, кормов для животных и биотоплива. Они закладывают основу для роста растений. Однако многое об этих загадочных строительных блоках остается неизвестным. Предыдущие анализы не смогли локализовать многие важные гены, регулирующие функционирование этих клеток.

Впервые биологи растений из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) составили карту двух известных регуляторов стволовых клеток среди тысяч клеток побегов кукурузы и арабидопсиса. Их исследование также выявило новые регуляторы стволовых клеток у обоих видов и связало некоторые из них с вариациями размера у кукурузы. Этот метод восстановления редких стволовых клеток может быть использован во всем царстве растений. Исследование опубликовано в журнале Developmental Cell.

«В идеале мы хотели бы знать, как создать стволовую клетку. Это позволило бы нам лучше регенерировать растения. Это помогло бы понять разнообразие растений. Одна из вещей, которая очень волнует людей, — это выведение новых культур, которые были бы более устойчивыми или продуктивными. У нас пока нет полного списка регуляторов — генов, необходимых для этого», — объясняет профессор CSHL Дэвид Джексон.

Джексон и его коллеги сначала сосредоточились на двух хорошо известных регуляторах стволовых клеток под названием CLAVATA3 и WUSCHEL. Бывший постдок в лаборатории Джексона, Сяоса Сю, аккуратно препарировал небольшой кусочек побегов кукурузы и арабидопсиса, содержащий стволовые клетки. Затем команда использовала «микрофлюидный» аппарат для разделения каждой клетки, преобразования ее РНК в ДНК и маркировки меткой, идентифицирующей, из какой клетки она произошла.

Процесс, называемый секвенированием РНК отдельных клеток, позволяет исследователям видеть, как гены экспрессируются в тысячах клеток одновременно.

«Замечательно то, что у вас есть этот атлас экспрессии генов, — говорит Джексон. — Когда мы публикуем его, все сообщество может им пользоваться. Другие люди, интересующиеся стволовыми клетками кукурузы или арабидопсиса, не должны повторять эксперимент. Они смогут использовать наши данные».

Секвенирование РНК отдельных клеток позволило команде восстановить около 5000 клеток, экспрессирующих CLAVATA3, и 1000 клеток, экспрессирующих WUSCHEL. Затем они идентифицировали сотни генов, которые предпочтительно экспрессировались в стволовых клетках как кукурузы, так и арабидопсиса, что предполагает их эволюционную важность для многих видов растений. После этого они смогли связать определенные регуляторы стволовых клеток с продуктивностью кукурузы. Такие связи в будущем могут помочь селекционерам выбирать конкретные штаммы для производства продуктов питания, кормов для животных или биотоплива.

«Это фундаментальные знания, которые могут направлять исследования в течение следующего десятилетия, — говорит Джексон. — Они могут быть использованы не только биологами-эволюционистами, но и физиологами, которые думают о том, как растут початки кукурузы и как повысить продуктивность, а затем и селекционерами».

Больше информации: Xiaosa Xu et al, Large-scale single-cell profiling of stem cells identifies redundant regulators of shoot development and yield trait variation, Developmental Cell (2025). DOI: 10.1016/j.devcel.2025.07.024

Источник: Cold Spring Harbor Laboratory