Еще десять лет назад генетики заметили нечто особенное, когда смотрели на привитые растения. Там, где два растения соприкасались, они перенимали значительное количество ДНК друг от друга. Само по себе это не было беспрецедентным, горизонтальный перенос генов — это не редкость у бактерий и даже у животных, грибов и растений. Но в этом случае удивила сама схема переноски генов. Она уникальна, и ученые только сейчас разгадали эту тайну природы.
Новое исследование
Обычно клетки растений изолируются внутри защитной клеточной стенки, которая не дает прямого пути для проникновения ДНК извне. Но очевидно, что механизм передачи генов отработан растениями, привитыми искусственно. Теперь исследователи из лаборатории Ральфа Бока в Институте молекулярной физиологии растений им. Макса Планка в Потсдаме наконец-то нашли ответ.
Мало того, что клеточные стенки иногда более пористые, чем предполагалось, но и растения, кажется, разработали механизм, который позволяет целым органеллам проникать через клеточную стенку в соседние клетки. Исследователи сообщили о своем открытии 1 января. «Настоящая физическая органелла может перемещаться из одной клетки в другую», — сказал Чарльз Мельник, биолог растений, изучающий прививку в Шведском университете сельскохозяйственных наук в Упсале.
Клетки имеют пористые стенки
Прививка может быть не только искусственной, она имеет место и в природе. Соприкасающиеся друг с другом близкородственные растения в конечном итоге сливаются, а иногда паразитические растения образуют связи со своими хозяевами. В месте пересадки растения образуют своего рода рубец, или каллус, который восстанавливает поток воды и питательных веществ через сосудистые ткани и иногда дает начало новым побегам.
Теперь ученым известно, что подвой и привой обмениваются целыми геномами хлоропластов. Они переносятся в неповрежденном виде, а не как фрагменты голой ДНК. Случайные гибридизации или вирусные инфекции, вызывающие множество горизонтальных переносов, не могли обеспечить такого эффекта. «Это не то, что мы ожидали от растительной клетки, — сказал Пал Малига, ученый-растениевод из Университета Рутгерса. — Растительные клетки защищены жесткой клеточной стенкой, но оказалось, что в этих стенках есть полости».
Механизм переноса ДНК
Генетические доказательства переноса представляют собой настоящую загадку: единственными известными отверстиями в стенках клеток были крошечные плазмодесмы, узкие мостики шириной всего около 0,05 микрона, которые позволяют соседним клеткам растений обмениваться белками и молекулами РНК. По словам Малиги, хлоропласт, обычно около 5 микрон в диаметре, был слишком большим, чтобы пройти через него. Однако он проходил, и довольно успешно.
Тайна сохранялась до тех пор, пока Бок не объединился со своим докторантом Александром Хертлом, который имел опыт в визуализации живых клеток и микроскопии. Хертл решил изучить тонкие срезы трансплантата с помощью электронной микроскопии и увидел, что в клетках есть отверстия, которые больше, чем любые ранее виденные. Но даже те, что были до 1,5 мкм в диаметре, казались слишком узкими для хлоропластов.
Затем, наблюдая живые клетки, Хертл сделал изображения хлоропластов в процессе миграции. Некоторые из них превратились в более примитивные, более подвижные протопластиды, которые могли достигать размеров 0,2 микрона. На глазах у Хертла протопластиды поползли по внутренней части клеточной мембраны к отверстиям в стенке клетки. Почковидные выступы мембран затем выпирали и доставляли органеллы. Когда тканевая организация трансплантата восстановилась, пластиды вернулись к нормальному для хлоропластов размеру.
Исцеляющий обмен образцами ДНК
«Метаморфоз хлоропластов еще недостаточно изучен, но, похоже, это реакция на углеродное голодание и уменьшение фотосинтеза», — пояснил Хертл. Когда исследователи выключили свет, они обнаружили, что дифференцировалось больше пластид, а частота переноса органелл увеличилась в пять раз. Насколько хорошо перенесенные пластиды функционируют в своих новых клетках-хозяевах, зависит от того, насколько тесно связаны эти два вида.
Протопластиды могут содержать или производить сигнальные молекулы, которые помогают заживлять раны трансплантата. Большие отверстия, которые образуются в клеточных стенках, также, по-видимому, являются частью экстренной реакции растения на заживление раны в месте прививки, но они могут возникать и на некоторой стадии нормального развития растения. События захвата хлоропластов также объясняют, почему исследователи иногда получают противоречивые результаты при реконструкции эволюционной истории растений: ядерные и хлоропластные геномы могут иметь разные родословные.
Пока не ясно, насколько часто в природе происходит горизонтальный перенос генома за счет миграции органелл. Возможно, растения регулярно перемещают хлоропласты между клетками в ответ на травмы или другие события. Если природа предлагает простой способ переноса органелл между растениями, исследователи биотехнологий могут использовать его для создания новых желаемых видов сельскохозяйственных культур.