Растения постоянно находятся на натянутом канате: им нужно достаточное генетическое разнообразие для адаптации к меняющимся условиям, но при этом сохранять стабильность своих потомков. Новые исследования раскрывают, как они достигают этого хрупкого баланса, контролируя частоту мутаций в разных популяциях стволовых клеток. Это открытие, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, имеет огромные последствия для улучшения ключевых сельскохозяйственных культур, таких как картофель и бананы.
Мутации – это топливо эволюции – изменения в ДНК, которые могут привести к новым признакам, как полезным, так и вредным. Хотя мутации необходимы для адаптации, они также представляют угрозу стабильности организма. Именно здесь на сцену выходят стволовые клетки растений. В отличие от людей, у которых стволовые клетки хранятся в костном мозге, растения имеют кластеры в верхушках побегов, называемые «апикальными меристемыми». Эти куполообразные структуры действуют как миниатюрные заводы, производя все новые ткани растения – от корней и листьев до кожицы и репродуктивных клеток (яйцеклетки и сперматозоиды).
Важно то, что эти апикальные меристемы организованы в три отдельных слоя: L1, L2 и L3. Каждый слой имеет специализированную функцию. Слой L2 отвечает за образование гамет, обеспечивая относительно стабильное наследование генетической информации при половом размножении. В отличие от этого, слой L1, который вырабатывает наружные покровы растения (кожицу), накапливает мутации с значительно большей частотой.
Ученые под руководством Луки Комай из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружили, что мутации в слое L1 были вплоть до 4,5 раз чаще, чем в слое L2 у картофеля, который размножался вегетативно – то есть при помощи черенков или клубней, а не семян. Это предполагает сознательную стратегию растений: приоритет генетической стабильности для потомства и одновременное обеспечение большей гибкости и адаптивности в соматических клетках (те клетки, из которых состоят тело растения).
«Многослойная архитектура стволовых клеток позволяет растениям с исключительной точностью регулировать частоту мутаций в разных клетках для оптимизации своего успеха и успеха своих потомков». — Лука Комай, старший автор исследования
Это открытие имеет важные последствия для сельского хозяйства. Многие коммерчески значимые культуры, такие как картофель, бананы, земляника и виноград, размножаются вегетативно. Со временем этот метод позволяет мутациям накапливаться в этих растениях, что потенциально может привести как к полезным, так и к нежелательным признакам.
Понимание того, как мутации ведут себя в разных слоях апикальной меристемы, может помочь селекционерам использовать положительные изменения, минимизируя отрицательные. Эти знания необходимы для повышения устойчивости к болезням, урожайности и общего качества этих важных пищевых культур.
Более того, это исследование предостерегает о необходимости осторожности в области биотехнологии растений. Генетическая модификация растений часто включает в себя внедрение нового ДНК в одну клетку, которая затем разрастается во всё растение. Поскольку эта техника направлена только на один слой апикальной меристемы, может быть упущено благоприятное мутации, присутствующие в других слоях. Комай и его команда подчеркивают, что будущие биотехнологические подходы должны учитывать эту многослойную сложность для обеспечения всестороннего генетического улучшения.
Это исследование открывает захватывающий пример того, как растения с изяществом балансируют стабильность и приспособляемость на клеточном уровне. Оно подчеркивает сложную взаимосвязь между мутацией, развитием растений и сельскохозяйственными практиками, прокладывая путь к более целенаправленным и эффективным стратегиям селекции в будущем.
