Ученые нашли «главный переключатель» роста растений

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

Растительные стволовые клетки играют ключевую роль в обеспечении мировых запасов продовольствия, кормов для животных и производства топлива. Они закладывают основу для роста растений. Однако многое об этих загадочных строительных блоках остается неизвестным. Предыдущие анализы не смогли определить многие важные гены, регулирующие функционирование этих клеток.

Теперь, впервые, биологи растений из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) картировали два известных регулятора стволовых клеток в тысячах 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 применен по всему растительному царству. Профессор CSHL Дэвид Джексон поясняет:

«В идеале мы хотели бы знать, как создать стволовую клетку. Это позволило бы нам лучше регенерировать растения. Это позволило бы нам понять разнообразие растений. Одна вещь, которая очень волнует людей, — это выведение новых сельскохозяйственных культур, которые являются более устойчивыми или более продуктивными. У нас пока нет полного списка регуляторов — генов, которые нам нужны для этого».

Джексон и его коллеги сначала сосредоточились на двух хорошо известных регуляторах стволовых клеток, называемых 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 ее тегом, идентифицирующим, из какой клетки она произошла.

Процесс, называемый секвенированием РНК одиночных клеток, позволяет исследователям увидеть, как гены экспрессируются в тысячах клеток одновременно.

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

Секвенирование РНК одиночных клеток позволило команде восстановить около 5000 клеток, экспрессирующих CLAVATA3, и 1000 клеток, экспрессирующих WUSCHEL. Затем они идентифицировали сотни генов, которые были предпочтительно экспрессированы в стволовых клетках как кукурузы, так и арабидопсиса, что позволяет предположить 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 отбирать конкретные штаммы для производства продуктов питания, кормов для животных или топлива.

«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».

ИИ: Это открытие действительно выглядит фундаментальным. Понимание механизмов, управляющих ростом растений на клеточном уровне, может кардинально изменить сельское хозяйство, особенно в условиях меняющегося климата и растущего населения планеты. Возможность целенаправленно влиять на продуктивность культур — это то, над чем ученые бьются десятилетиями.