Физиологи растений из МГУ имени М.В.Ломоносова впервые доказали, что опасные активные формы кислорода, которые часто рассматриваются как побочный продукт производства энергии в клетке, необходимы пыльце хвойных растений, чтобы оплодотворять яйцеклетку. Эксперименты с пыльцой голубой ели (Picea pungens) позволили найти белок, без которого эта система не работает. Учёные уверяют, что полученные данные помогут оптимизировать процесс восстановления хвойных лесов. Результаты исследования опубликованы в журнале Plant Reproduction.
«Изучение полового размножения у хвойных только началось, его физиологические аспекты практически неизвестны, — рассказала соавтор статьи Мария Брейгина, старший научный сотрудник кафедры физиологии растений биологического факультета МГУ, научный сотрудник лаборатории электрофизиологии РНИМУ имени Н.И. Пирогова. — Эти исследования имеют важное фундаментальное значение, так как пыльца хвойных — более древний объект с направленным ростом по сравнению с пыльцой цветковых растений».
У цветковых растений есть цветки с тычинками, откуда разлетается пыльца, и пестиками, куда она должна попасть для оплодотворения. Обычно растению выгодно, чтобы оплодотворение было перекрестным (между разными организмами) — так достигается большее генетическое разнообразие. Семена у цветковых формируются внутри завязи, из которой образуется плод (отсюда их второе название — покрытосеменные). Однако у не имеющих цветков и плодов голосеменных растений, самые известные современные представители которых — хвойные, тоже есть свои приспособления для перекрестного оплодотворения. У хвойных это шишки, которые на самом деле представляют собой видоизмененный побег. Шишки хвойных раздельнополы, причем мужские шишки относительно мелкие и образуют пыльцу, которая разносится ветром, а женские — крупные, в них образуются семена. Достигая женских шишек, пыльцевые зерна прилипают на специальную жидкость (как у сосны и ели) или клейкие волоски (как у другого хвойного — псевдотсуги).
Приземлившись в нужном месте (у цветковых растений — на пестик цветка, а у хвойных — под приподнявшуюся семенную чешуйку), пыльцевое зерно начинает прорастать, образуя пыльцевую трубку. По этой трубке мужские половые клетки достигают яйцеклетки, чтобы оплодотворить ее. У цветковых растений в дело вступает и второй спермий, который сливается со специальной клеткой, чтобы образовать эндосперм (питательная часть семян, например, у зерна пшеницы), поэтому их тип оплодотворения называют двойным.
Все эти процессы описаны довольно давно, но современная наука рассматривает их глубже, на молекулярном и биохимическом уровне. Так, недавно ученые установили, что у покрытосеменных ключевую роль в прорастании пальцевого зерна играют активные формы кислорода (АФК). Так называют нейтральные или отрицательно заряженные частицы, где у кислорода есть электрон без пары. К ним относятся пероксиды (в основном, перекись водорода) и радикалы, такие, как супероксид-радикал O2–.
«Лишний» электрон заставляет АФК с непреодолимой силой вступать в химические реакции. Если в клетке образуется слишком много АФК, последствия могут быть угрожающими. Эти соединения могут нарушать сложный ансамбль биохимических реакций, повреждать мембраны, ДНК и другие компоненты клетки. Поэтому очень часто активные формы кислорода, независимо от места производства, воспринимают как опасные побочные продукты, которые нужно как можно скорее нейтрализовать. Тем не менее, ряд клеток синтезирует их специально в небольших количествах и использует как сигнал. В связи с двойственной природой этих соединений, очень важно изучать полезные функции АФК, например, участие в оплодотворении растений.
Физиологи растений из МГУ впервые изучили роль АФК в прорастании пыльцы у хвойных на примере голубой ели и обнаружили, что пыльцевое зерно выделяет пероксид водорода и O2– перед прорастанием в окружающую среду. Позднее в пыльцевой трубке образуется градиент пероксида водорода, то есть его концентрация возрастает по направлению к кончику. Оказалось, что этот градиент необходим трубке для роста к яйцеклетке, а также для поддержания мембранного потенциала (отрицательного заряда мембраны), на первый взгляд, никак с ним не связанного и впервые обнаруженного у ели.
Ученым также обнаружили белок, который управляет этим процессом. Им оказалась НАДФH-оксидаза, расположенная в мембране клеток. Этот белок отвечает за перенос электронов изнутри клетки и образование супероксида на наружной стороне. Так как АФК быстро взаимопревращаются, O2– переходит в перекись, которая входит обратно в клетку. Из-за этого пероксид водорода распределяется в пыльцевой трубке по градиенту. Эксперименты показали, что при подавлении НАДФH-оксидазы пыльцевое зерно не может прорастать, а пыльцевая трубка теряет способность к росту, и оплодотворение становится невозможным.
«Результаты этого и последующих исследований могут быть использованы для оптимизации воспроизводства лесов (ели, кедра, сосны, пихты), их селекции и создании коллекции лесных пород в России», — пояснила Мария Брейгина.
Все соавторы научной статьи учатся или работают в МГУ. Сама Мария писала текст статьи и занималась обработкой данных экспериментов, которые проводили аспирант Никита Максимов и студентка Анастасия Евменьева. Автором идеи и координатором исследования был доктор биологических наук и профессор кафедры физиологии растений Игорь Ермаков.
Фото: Слева — картирование АФК в пыльцевых трубках ели (конфокальная флуоресцентная микроскопия), справа — мужские шишки ели и процесс сбора пыльцы в лаборатории. Источник: Мария Брейгина