Chloroplasty mogą wreszcie liczyć na seks
Identyfikacja czynników abiotycznych kontrolujących dziedziczenie plastydów. a, Ekran genetyczny do ojcowskiej transmisji plastydów. (ja) Na początku kwitnienia rośliny transplastomiczne (WTptGFP) są narażone na stres abiotyczny, dzięki czemu gametofit męski rozwija się pod wpływem stresu. (II) Rośliny uprawiane w szklarniach z plastydami typu dzikiego są nawożone pyłkiem z zestresowanej WTptGFP rośliny. (iii) Nasiona wysiewa się na pożywce zawierającej spektynomycynę. Sadzonki, które odziedziczyły plastydy ojcowskie, mają sektory zielone (oporne na spektynomycynę). b, Fizyczne mapy genomów plastydowych matki (typu dzikiego, WT) i ojca (transplastomiczny, ptGFP). Ojcowski genom plastydowy zawiera dwa transgeny: aadA (znacznik oporu) i gfp (reporter). Wskazano promotory, terminatory (oba niebieskie) i odpowiednie miejsca restrykcyjne. Czarny słupek przedstawia sondę hybrydyzacyjną dla RFLP. c, Ojcowska transmisja plastydów wykryta przez selekcję spektynomycyną. Lewy górny róg: groty strzałek wskazują sadzonki z zielonymi sektorami. U góry po prawej: powiększony obraz zielonego sektora. Dół: sadzonki z zielonymi sektorami wykazującymi fluorescencję zarówno GFP (po lewej), jak i chlorofilu (Chl, po prawej). Pasek skali, 1 mm. d, Wskaźniki ojcowskiej transmisji plastydów pod wpływem stresu. Koła przedstawiają proporcje sadzonek niosących zielone, dodatnie sektory GFP na zbiór (jednostka replikacji, patrz Metody); kręgi w x oś średnia transmisji ojcowskiej nie została znaleziona. Porównano szybkości transmisji roślin poddanych stresowi i nietraktowanych, reprezentujących „Eksperyment 1”. Efekty leczenia (β) oszacowano za pomocą Modelu 1 (nsuma rep= 16 zbiorów, ~ 4,35 mln sadzonek; Rozszerzone tabele danych 1 i 2) i przetestowane przez jednoczesnego dwustronnego Walda z-testy. α = 0,05; NS, P > 0,05,***P< 0,001. Jedynie schładzanie ma znaczący wpływ (P = 1,22 × 10−101). βwartości reprezentują krotność zmian w dzienniku10. Średnie na traktowanie przedstawiono czarnymi poziomymi liniami, z CI95 w kolorowych ramkach. mi, analiza RFLP wybranych linii PPI: HL1, high light; H1, ciepło; D6, susza; C111, C116, C200, chłodzenie. Analiza RFLP z EcoRV i XhoI (por. panel b) wytwarza fragmenty 4,7 kb dla plastydów ojcowskich i 3,2 kb dla plastydów matczynych (WT). Blot jest reprezentatywny dla trzech niezależnych eksperymentów. f, Lokalizacja fluorescencji GFP na chloroplasty. Fluorescencja GFP i nakładka z fluorescencją Chl jest pokazana dla WT, transplastomicznego WTptGFP i linia PPI. Obrazy są reprezentatywne dla stu niezależnych analizowanych linii PPI. Pasek skali, 10 µm. Kredyt: Natura Rośliny(2023). DOI: 10.1038/s41477-022-01323-7
Naukowcy z Instytutu Molekularnej Fizjologii Roślin im. Maxa Plancka w Poczdamie (Niemcy) przeanalizowali dziedziczenie chloroplastów w różnych warunkach środowiskowych u prawie 4 milionów roślin tytoniu.
W przeciwieństwie do dominującego poglądu, że chloroplasty są przekazywane tylko przez roślinę mateczną, chloroplasty ojcowskie mogą być również przekazywane potomstwu w niskich temperaturach, co zwiększa prawdopodobieństwo, że chloroplasty obojga rodziców wymieniają między sobą materiał genetyczny. Nowe odkrycia ułatwią ukierunkowane wykorzystanie cech kodowanych w chloroplastach w hodowli roślin, a także otworzą nowe perspektywy dla badań ewolucyjnych. Badanie zostało opublikowane w Natura Rośliny.
Opowieść o kwiatach i pszczołach to klasyczne wprowadzenie do tematu, który wciąż jest zbyt rzadko omawiany w naszym społeczeństwie: seksu w roślinach. Kiedy rośliny się rozmnażają, plemniki w ziarnach pyłku łączą się z komórką jajową w kwiatku, na którym wylądował pyłek. W ten sposób materiał genetyczny jąder komórkowych obojga rodziców zostaje połączony w nasieniu. Jest to ważne, ponieważ umożliwia usunięcie szkodliwych mutacji, które w przeciwnym razie gromadziłyby się w materiale genetycznym przez pokolenia.
Chloroplasty mają swój własny materiał genetyczny
Oprócz materiału genetycznego w jądrze komórkowym mitochondria i chloroplasty zawierają również materiał genetyczny. Mitochondria to silniki spalinowe komórek. Komórki zwierzęce i roślinne wykorzystują je do spalania węglowodanów i wykorzystują uwolnioną energię do swojego metabolizmu. Rośliny dodatkowo posiadają chloroplasty. Zawierają zielony barwnik chlorofil i są elektrowniami słonecznymi komórek. Chloroplasty umożliwiają roślinom gromadzenie energii słonecznej w procesie znanym jako fotosynteza w celu wytworzenia węglowodanów.
Mitochondria i chloroplasty mają swój własny materiał genetyczny, ponieważ wywodzą się z bakterii, które zostały przejęte przez przodków współczesnych komórek zwierzęcych i roślinnych ponad miliard lat temu. Mitochondria i chloroplasty utworzyły symbiotyczną społeczność w komórce, a dawni współlokatorzy stali się teraz nieodzowni dla przetrwania rośliny.
Powszechnie wiadomo, że genomy mitochondriów i chloroplastów, w przeciwieństwie do materiału genetycznego w jądrze komórkowym, nie są dziedziczone w równym stopniu po ojcu i matce. Obie są przekazywane prawie wyłącznie przez matkę, ponieważ albo w ogóle nie dostają się do plemnika, albo ich materiał genetyczny ulega degradacji w pyłku. Jeśli mitochondria i chloroplasty matki i ojca nigdy się nie spotkają, nie mogą uprawiać seksu w celu wymiany materiału genetycznego. Dlatego szkodliwe mutacje genetyczne powinny kumulować się przez pokolenia i ostatecznie doprowadzić do upadku genomu.
Naukowcy przebadali prawie 4 miliony roślin
Naukowcy z Instytutu Molekularnej Fizjologii Roślin im. Maxa Plancka odkryli właśnie, że wbrew powszechnemu przekonaniu, tytoń może rutynowo przenosić chloroplasty z rośliny ojcowskiej w pewnych warunkach środowiskowych. Naukowcy najpierw stworzyli rośliny ojcowskie z chloroplastami odpornymi na antybiotyk. Rośliny te były następnie wystawiane na działanie różnych warunków środowiskowych, takich jak ciepło, zimno, susza i silne światło podczas dojrzewania pyłku.
Pyłek z tych roślin użyto do zapylania niezmodyfikowanych roślin matecznych. Nasiona wytworzone z tej krzyżówki hodowano na pożywce hodowlanej zawierającej odpowiedni antybiotyk. Ponieważ na tej pożywce przeżywają tylko chloroplasty ojcowskie, komórki zawierające chloroplasty z rośliny ojcowskiej są zielone, podczas gdy rośliny z chloroplastami odziedziczonymi wyłącznie po matce są blade, ponieważ te chloroplasty blakną z powodu ich wrażliwości na antybiotyk.
Ponieważ chloroplasty odziedziczone po ojcu są niezwykle rzadkie, naukowcy musieli przyjrzeć się prawie 4 milionom sadzonek, aby wykazać, że odsetek chloroplastów odziedziczonych po ojcu był 150 razy wyższy w przypadku zimnego traktowania niż w normalnej temperaturze. „Trudno jest utrzymać motywację, gdy patrzysz na tysiące sadzonek i zawsze szukasz tego jednego zielonego miejsca. W związku z tym byliśmy podekscytowani, gdy eksperymenty z zimnem rzeczywiście wykazały silny efekt” – mówi Stephanie Ruf, jedna z autorek badania. badanie.
Dziedziczeniem chloroplastów można manipulować
Po tym początkowym sukcesie naukowcy zagłębili się w szczegóły: „Wiemy, że zimno spowalnia aktywność enzymów. Podejrzewaliśmy zatem, że enzym może być zaangażowany w blokowanie ojcowskiego dziedziczenia chloroplastów” – komentuje Enrique Gonzalez-Duran, który był również zaangażowany w naukę. Naukowcy selektywnie wyprodukowali rośliny zawierające wadliwy enzym, który normalnie degraduje materiał genetyczny chloroplastów podczas dojrzewania pyłku.
Rośliny z wadliwym enzymem wykazywały również znacznie zwiększone ojcowskie dziedziczenie chloroplastów. Połączenie defektu enzymu i zimnej aplikacji podczas rozwoju pyłku doprowadziło do współczynnika dziedziczenia po ojcu na poziomie 2-3%. „To może nie wydawać się dużo, ale jest gigantyczne w porównaniu z szansą 1 na 100 000 wystąpienia tego zjawiska w normalnych warunkach. Bardzo interesujące będzie ustalenie, czy chloroplasty odziedziczone po matce i ojcu faktycznie wymieniają między sobą materiał genetyczny” – mówi Kin. Pan Chung, inny autor badania.
Odkrycie, że dziedziczenie chloroplastów można kontrolować za pomocą temperatury i zmian poszczególnych enzymów w roślinie, otwiera zupełnie nowe możliwości w hodowli roślin.
„Ponieważ wcześniej uważano, że mitochondria i chloroplasty zawsze dziedziczy się razem i tylko od matki, nie było możliwości oddzielnego przekazania cech zakodowanych w ich materiale genetycznym. Możliwość przeniesienia chloroplastów również od ojca przez proste umieszczenie roślin zimno może otworzyć drzwi do zupełnie nowych programów hodowlanych” – wyjaśnia Ralph Bock, szef grupy badawczej.
Nadal nie jest jasne, dlaczego mitochondria i chloroplasty są w dużej mierze dziedziczone po matce. Fakt, że ten typ dziedziczenia może elastycznie reagować na warunki środowiskowe, prawdopodobnie skłoni biologów ewolucyjnych do ponownego przemyślenia niektórych z ich obecnych teorii i modeli. „Pokazuje również, jak ważne jest uwzględnienie warunków środowiskowych w badaniach genetycznych. Chloroplasty przez dziesięciolecia kazały nam wierzyć, że prowadzili wstrzemięźliwość seksualną, ale teraz nie możemy być już tego pewni” – mówi Bock.
Więcej informacji:
Ralph Bock, Kontrola dziedziczenia plastydów przez czynniki środowiskowe i genetyczne, Natura Rośliny(2023). DOI: 10.1038/s41477-022-01323-7. www.nature.com/articles/s41477-022-01323-7
Dostarczone przez Towarzystwo Maxa Plancka
Cytat: 1 miliard lat abstynencji: chloroplasty mogą wreszcie mieć nadzieję na seks (2023, 16 stycznia) pobrane 16 stycznia 2023 r. z
Niniejszy dokument podlega prawu autorskiemu. Poza wszelkimi uczciwymi transakcjami do celów prywatnych studiów lub badań, żadna część nie może być powielana bez pisemnej zgody. Ta zawartość jest w jedynie w celach informacyjnych.
