stringtranslate.com

Пыльцевая трубка

СЭМ-изображение пыльцевых трубок, растущих из зерен пыльцы лилии.

Пыльцевая трубка — это трубчатая структура, образуемая мужским гаметофитом семенных растений при прорастании. Удлинение пыльцевой трубки является неотъемлемой стадией жизненного цикла растения. Пыльцевая трубка действует как канал для транспортировки мужских гаметных клеток из пыльцевого зерна — либо от рыльца (у цветковых растений ) к семяпочкам у основания пестика , либо напрямую через ткань семяпочки у некоторых голосеменных . У кукурузы эта одиночная клетка может вырасти длиннее 12 дюймов (30 см), чтобы пересечь длину пестика .

Пыльцевые трубки были впервые обнаружены Джованни Баттиста Амичи в 19 веке.

Они используются в качестве модели для понимания поведения растительных клеток. Продолжаются исследования, чтобы понять, как пыльцевая трубка реагирует на внеклеточные сигналы наведения для достижения оплодотворения.

Пчела опыляет подсолнух. Пыльца переносится с пыльника одного растения на рыльце другого, когда пчела собирает нектар

Пыльцевые трубки уникальны для семенных растений , и их структуры развивались на протяжении всей истории с каменноугольного периода. Формирование пыльцевой трубки является сложным процессом, и механизм его не полностью изучен. [1]

Покрытосеменные

Жизненный цикл покрытосеменных растений.

Мужской репродуктивный орган цветка, тычинка , производит пыльцу. Раскрытие пыльников делает пыльцу доступной для последующего опыления (переноса пыльцевых зерен на пестик , женский репродуктивный орган). Каждое пыльцевое зерно содержит вегетативную клетку и генеративную клетку , которая делится, образуя две клетки спермия . Абиотические переносчики, такие как ветер , вода , или биотические переносчики, такие как животные, осуществляют распространение пыльцы.

Как только пыльцевое зерно оседает на совместимом пестике, оно может прорасти в ответ на сахаристую жидкость, выделяемую зрелым рыльцем. Липиды на поверхности рыльца также могут стимулировать рост пыльцевой трубки для совместимой пыльцы. Растения, которые являются самостерильными, часто препятствуют росту пыльцевых трубок пыльцевыми зернами из собственных цветков. Было замечено, что присутствие нескольких зерен пыльцы стимулирует более быстрый рост пыльцевой трубки у некоторых растений. [2] Затем вегетативная клетка производит пыльцевую трубку, трубчатый выступ из пыльцевого зерна, который несет сперматозоиды внутри своей цитоплазмы . Сперматозоиды являются мужскими гаметами , которые соединятся с яйцеклеткой и центральной клеткой при двойном оплодотворении . Первое событие оплодотворения производит диплоидную зиготу , а второе событие оплодотворения производит триплоидный эндосперм .

Проросшая пыльцевая трубка должна проложить себе путь через богатый питательными веществами столбик и закрутиться к основанию завязи, чтобы достичь семяпочки. Как только пыльцевая трубка достигает семяпочки, она лопается, чтобы доставить два спермия. Один из спермиев оплодотворяет яйцеклетку, которая развивается в эмбрион, который станет будущим растением. Другой сливается с обоими полярными ядрами центральной клетки, образуя эндосперм , который служит источником питания для эмбриона. Наконец, завязь разовьется в плод , а семяпочки — в семена .

Голосеменные

Поперечный разрез семязачатка голосеменных и покрытосеменных растений

Пыльца голосеменных растений образуется в микроспорангиях , расположенных на чешуйках мужской шишки или микростробила . У большинства видов растения опыляются ветром, а пыльцевые зерна хвойных растений имеют воздушные пузыри, которые обеспечивают плавучесть в воздушных потоках. Зерна откладываются в микропиле семяпочки женской шишки или мегастробила, где они созревают до года. У хвойных растений и гнетофитов пыльца прорастает, образуя пыльцевую трубку, которая проникает в мегаспорангий или нуцеллус, неся с собой ядра сперматозоидов, которые переносятся в яйцеклетку в развивающемся архегонии женского растения. [3] [4]

Механизм роста пыльцевой трубки

Признание

Пыльца на рыльце

Женский спорофит должен распознать пыльцу, прилипшую к рыльцу. Часто успешно расти может только пыльца того же вида. Пыльца, полученная путем ауткроссинга, растет более успешно. [5] [6] При использовании систем самонесовместимости пыльца, полученная путем ауткроссинга, растет и вытесняет собственную пыльцу. Взаимодействие между столбиком и пыльцой определяет совместимость и влияет на скорость роста пыльцевой трубки. [7] Этот процесс отбора основан на регуляции на уровне генов, при которой генные локусы гинецея позволяют либо собственной пыльце медленно расти, либо прекращать рост, либо лопаться, в то время как происходит более быстрый рост пыльцы, полученной путем ауткроссинга. Системы самонесовместимости поддерживают генетическое разнообразие. [8] [9] Что касается голосеменных, то у них нет пестика с рыльцем. Поэтому пыльца должна погружаться в каплю опыления, доставляя мужской гаметофит к яйцеклетке открытой семяпочки. Однако пыльца разных видов не будет погружаться в каплю; пыльца остается плавать на поверхности, а капля втягивается обратно в микропиле. [10]

Инициация

Механизм, предотвращающий самоопыление и позволяющий совместимой пыльце вырастить пыльцевую трубку для оплодотворения

После того, как пыльцевое зерно распознано и увлажнено, оно прорастает, образуя пыльцевую трубку. [11] На этом этапе существует конкуренция, поскольку многие пыльцевые зерна могут конкурировать за то, чтобы достичь яйцеклетки. Рыльце играет роль в направлении спермы к восприимчивой яйцеклетке, в случае множества яйцеклеток. [11] Только совместимые пыльцевые зерна могут расти, что определяется сигналом рыльца.

В пыльцевом зерне генеративная клетка дает начало сперме, тогда как вегетативные клетки имеют трубчатую клетку, которая выращивает пыльцевую трубку. У некоторых растений есть механизмы, предотвращающие самоопыление, например, рыльце и пыльник созревают в разное время или имеют разную длину, что значительно способствует увеличению генетического разнообразия следующего поколения. [12] [13]

Существует большое разнообразие в скорости роста пыльцевых трубок, и многие исследования были сосредоточены на сигнализации. [12] Экспрессия гена в пыльцевом зерне была идентифицирована как экспрессия гаметофита, а не родительского спорофита, поскольку он экспрессирует свою собственную уникальную мРНК и ферменты. [12] У персикового дерева среда столбика, через которую прорастает пыльцевая трубка, обеспечивает питание для роста трубки к семяпочке. [11] Пыльцевые трубки устойчивы, и даже пыльца, поврежденная рентгеновскими и гамма-лучами, все еще может давать пыльцевые трубки. [12]

Рост и сигнализация

Строение типичного семязачатка покрытосеменных растений

Рост пыльцевой трубки зависит от взаимодействия между рыльцем и пыльцевым зерном. Удлинение трубки достигается за счет удлинения цитоскелета , и она простирается от кончика, что регулируется высоким уровнем кальция в цитозоле. [9] Уровни кальция помогают синаптическим везикулам в мембранах расти и расширяться на кончике. [6] Полипептиды, обнаруженные в стиге, также регулируют рост трубки, и были идентифицированы специфические пептиды, которые играют роль в передаче сигналов для роста.

Пептиды LURE, которые секретируются из синергид, которые занимают пространство, прилегающее к яйцеклетке, могут использовать аттрактанты . У мутантных эмбрионов растений Arabidopsis , особенно у тех, у которых нет синергид, пыльцевые трубки не могли расти [ требуется ссылка ] . Рост пыльцевой трубки направлен к яйцам того же вида, что и пыльца. Внутривидовая сигнализация помогает оплодотворять яйцеклетку и сперму того же вида. Сигнализация в столбике важна, поскольку пыльцевые трубки могут расти без присутствия зародышевого мешка, взаимодействуя только со столбиком. [9] [5] Другие части в яичнике включают цитоплазматические факторы, такие как miRNA и химические градиенты, которые привлекают пыльцевую трубку к росту к синергидам. [5] [14]

Кальций и этилен в Arabidopsis thaliana были вовлечены в терминацию пыльцевой трубки, когда она растет около яичника. Увеличение кальция позволило высвободить две сперматозоиды из трубки, а также дегенерировать синергидную клетку. [5] Химический градиент кальция также может способствовать терминации на ранней стадии роста трубки или в соответствующее время. [14]

Длина пыльцевой трубки варьируется в зависимости от вида. Она растет колебательным образом, пока не будет готова выпустить сперму около яйцеклетки для оплодотворения. [15] [16] Некоторые быстрорастущие пыльцевые трубки были обнаружены у лилии, табака и Impatiens sultanii. [16] [17] Скорость роста дает преимущество организму, но неясно, существует ли вариация скорости роста в популяции или она была отобрана на протяжении поколений из-за повышенной приспособленности . [12]

Эволюция

Голосеменные растения в перспективе филогении

Было выявлено много переходных признаков, которые показывают корреляцию между эволюцией пыльцевой трубки и эволюцией неподвижной спермы. [13] Ранние семенные растения, такие как папоротники, имеют споры и подвижную сперму, которые плавают в водной среде, что называется зооидогамией . [18] Пыльцевая трубка покрытосеменных растений простая, неразветвленная и быстрорастущая, однако это не относится к предковым растениям.

У голосеменных растений, таких как Ginkgo biloba и Cycadophyta, образуется гаусториальная пыльцевая трубка. Трубка просто впитывает питательные вещества из женского нуцеллуса и растет в два этапа. Пыльцевая трубка сильно разветвлена ​​и растет на женских тканях спорофита. Сначала она выращивает основную трубку, за которой следует более сферический кончик на конце, чтобы позволить сперме лопнуть около архегония. [ 18] Двуядерный , многожгутиковый сперматозоид затем может плыть к яйцеклетке. [13] У саговников менее разветвленная структура, а кончик разбухает так же, как у гинкго . Однако у саговников в пыльцевой трубке были идентифицированы различные ферменты, которые направляют рост, и ткани нуцеллуса больше повреждаются при росте трубки. [18]

В других типах голосеменных, Coniferophyta и Gnetophyta , сперма неподвижна, и пыльцевая трубка доставляет сперму непосредственно к яйцеклетке в процессе, называемом сифоногамией . Хвойные могут быть разветвленными или неразветвленными, и они вызывают дегенерацию женской ткани по мере того, как она прорастает через большее количество ткани. [ необходимо разъяснение ] [18] Например, у сосен происходит выброс цитоплазмы сперматозоида, и объединение одного сперматозоида происходит по мере того, как другой сперматозоид дегенерирует. Тем не менее, у Gnetophyta есть черты, более похожие на пыльцевые трубки покрытосеменных, где трубка достигает яйцеклетки с ранней формой двойного оплодотворения. Однако эндосперм не образуется, и второе оплодотворение прерывается. [13]

У покрытосеменных этот механизм изучался более подробно, поскольку пыльцевые трубки у цветковых растений растут очень быстро через длинные столбики, чтобы достичь хорошо защищенной яйцеклетки. У покрытосеменных существует большое разнообразие пыльцевых трубок, и многие модельные растения, такие как петуния, арабидопсис , лилия и табак, были изучены на предмет внутривидовой изменчивости и сигнальных механизмов. [12] У цветковых растений может возникнуть явление, называемое полиаморией, когда оплодотворяется много семяпочек, а общая приспособленность организма еще не изучена с учетом скорости роста пыльцевой трубки. [ необходимо уточнение ] [13] [12]

Поведение

Пыльцевые трубки являются прекрасной моделью для понимания поведения растительных клеток. [19] Их легко культивировать in vitro , и они имеют очень динамичный цитоскелет , который полимеризуется с очень высокой скоростью, обеспечивая пыльцевую трубку интересными механическими свойствами. [20] Пыльцевая трубка имеет необычный тип роста: она расширяется исключительно на своей вершине. Расширение клеточной стенки только на кончике минимизирует трение между трубкой и внедренной тканью. Этот рост кончика осуществляется пульсирующим образом, а не равномерно. [9] Путешествие пыльцевой трубки через столбик часто приводит к соотношению глубины к диаметру выше 100:1 и до 1000:1 у некоторых видов. У кукурузы эта отдельная клетка может вырасти длиннее 12 дюймов (30 см), чтобы пересечь длину пестика . Внутренний механизм и внешние взаимодействия, которые управляют динамикой роста пыльцевой трубки, далеки от полного понимания.

Роль актинового цитоскелета

Актиновый цитоскелет оказался критически важным для содействия росту пыльцевой трубки. [21] С точки зрения пространственного распределения актиновые нити организованы в три различные структуры внутри пыльцевой трубки. [21] Каждое уникальное расположение или рисунок вносит вклад в поддержание поляризованного роста клеток, характерного для пыльцевой трубки. В апикальной области — месте роста, направленного на кончик, — актиновые нити менее многочисленны, однако они очень динамичны. Кроме того, в апексе скапливаются небольшие везикулы, что указывает на то, что этот регион является местом критических событий нацеливания и слияния везикул. Такие события необходимы для регулирования скорости и направления роста пыльцевой трубки. [22] В субапикальной области актиновые нити организованы в структуру, похожую на воротник. Обратный фонтан цитоплазматического потока происходит в субапексе; направление цитоплазматического потока меняется на противоположное и продолжается вдоль осевых актиновых кабелей, составляющих стержень. Область стержня охватывает центральную часть пыльцевой трубки. В этой области актиновые нити организованы в аксиальные пучки однородной полярности, тем самым обеспечивая транспорт различных органелл и везикул от основания пыльцевой трубки к кончику, способствуя общему росту трубки. [22]

Динамика актиновых филаментов

Как пространственное распределение, так и динамика актинового цитоскелета регулируются актин-связывающими белками (ABP). Для экспериментального наблюдения изменений распределения, которые происходят в актиновом цитоскелете во время роста пыльцевой трубки, были использованы зеленые флуоресцентные белки (GFP). [21] GFP были выбраны в основном для целей динамической визуализации из-за того, что они обеспечивали эффективные средства для неинвазивной визуализации актиновых нитей в растениях. Среди различных GFP, используемых во время экспериментов, были GFP-mTalin, LIM-GFP и GFP-fimbrin/ABD2-GFP. [23] Однако каждый из этих маркеров либо нарушал естественную структуру актиновых нитей, либо неблагоприятно маркировал такие нити. Например, GFP-mTalin приводил к чрезмерному связыванию нитей, а GFP-фимбрин/ABD2-GFP не маркировал нити актина, расположенные в апикальных или субапикальных областях пыльцевой трубки. [23] В свете этих недостатков Lifeact-mEGFP был обозначен как выдающийся маркер выбора для нитей актина в пыльцевой трубке; Lifeact-mEGFP способен обнаруживать все три расположения нитей актина, и он оказывает минимальное воздействие на естественную структуру нитей актина. [23] Lifeact-mEGFP использовался в качестве маркера для изучения динамики нитей актина в растущих пыльцевых трубках табака, лилий и Arabidopsis . [23]

Благодаря исследованиям, проведенным с GFP, было подтверждено, что динамическое состояние актиновых нитей, расположенных в апикальной области, имеет важное значение для роста пыльцевой трубки. Эксперименты с актиновыми нитями, окрашенными GFP-mTalin, дали результаты, подтверждающие, что локализованные на кончике актиновые нити являются высокодинамичными. [24] Такие эксперименты установили связь между динамикой локализованных на кончике актиновых нитей и их ролью в формировании актиновых структур в субапикальной области. [24] Кроме того, эксперименты с актиновыми нитями, расположенными в апикальном куполе Arabidopsis, указывают на то, что актиновые нити непрерывно производятся из апикальной мембраны пыльцевой трубки; производство этих актиновых нитей опосредовано форминами . Эти результаты предоставили доказательства, подтверждающие теорию о том, что актиновые нити, расположенные в апикальной области, являются высокодинамичными и являются местом событий нацеливания и слияния везикул. Эксперименты с этиолированными клетками гипокотиля, а также с суспензионными клетками BY-2 показывают, что высокодинамичные актиновые нити, продуцируемые апикальной мембраной, могут либо переворачиваться в результате разрыва нитей и деполяризации, либо перемещаться от верхушки к апикальному флангу, что приводит к уменьшению накопления актиновых нитей в апикальной области пыльцевой трубки. [25]

Эксперименты по динамике актиновых нитей в области голени также проводились с использованием GFP. Результаты показали, что максимальная длина нитей в этой области значительно увеличилась, а частота разрывов значительно снизилась. Такие результаты показывают, что актиновые нити, расположенные в области голени, относительно стабильны по сравнению с актиновыми нитями, расположенными в апикальной и субапикальной областях. [25]

Регулирование

ABP регулируют организацию и динамику актинового цитоскелета. [25] Как было сказано ранее, актиновые филаменты непрерывно синтезируются из апикальной мембраны. Это указывает на присутствие факторов зарождения актина, закрепленных на мембране. В ходе экспериментов была выдвинута теория, что формины являются представителями таких факторов зарождения актина. Например, формин AtFH5 был идентифицирован как основной регулятор зарождения актиновых филаментов, особенно для актиновых филаментов, синтезируемых из апикальной мембраны пыльцевой трубки. Генетические нокауты AtFH5 привели к снижению количества актиновых филаментов как в апикальной, так и в субапикальной областях пыльцевой трубки, тем самым предоставив больше доказательств в поддержку теории о том, что AtFH5 зарождает сборку актиновых филаментов в апикальной и субапикальной областях пыльцевой трубки. [25]

Формин класса I AtFH3 — еще один фактор зарождения актина. AtFH3 зарождает сборку актиновых нитей продольных актиновых кабелей, расположенных в области стержня пыльцевой трубки. Более конкретно, AtFH3 использует комплекс актин/профилин для взаимодействия с концом актиновых нитей, тем самым инициируя зарождение актиновых нитей. [25]

Руководство

Обширная работа была посвящена пониманию того, как пыльцевая трубка реагирует на внеклеточные сигналы наведения для достижения оплодотворения. [26] [19] [27] [28] Пыльцевые трубки реагируют на комбинацию химических, электрических и механических сигналов во время своего путешествия через пестик. [29] [30] [31] Однако неясно, как работают эти внешние сигналы или как они обрабатываются внутри. Более того, сенсорные рецепторы для любого внешнего сигнала еще не были идентифицированы. Тем не менее, несколько аспектов уже были идентифицированы как центральные в процессе роста пыльцевой трубки. Актиновые нити в цитоскелете, своеобразная клеточная стенка , динамика секреторных пузырьков и поток ионов , если назвать несколько, являются некоторыми из фундаментальных особенностей, которые легко идентифицируются как критические, но чья роль еще не полностью выяснена.

восстановление ДНК

Во время роста пыльцевой трубки возникающие повреждения ДНК должны быть восстановлены для того, чтобы мужская геномная информация передавалась неповрежденной следующему поколению. У растения Cyrtanthus mackenii двуклеточная зрелая пыльца содержит генеративную клетку и вегетативную клетку. [32] Сперматозоиды образуются путем митоза генеративной клетки во время удлинения пыльцевой трубки. Вегетативная клетка отвечает за развитие пыльцевой трубки. Возникающие двухцепочечные разрывы ДНК, по-видимому, эффективно восстанавливаются в генеративной клетке, но не в вегетативной клетке, во время процесса транспортировки к женскому гаметофиту . [32]

Организация актиновых нитей RMD способствует росту пыльцевой трубки

Обзор

Для того чтобы произошло оплодотворение, в пыльцевых трубках происходит быстрый рост кончика, который доставляет мужские гаметы в семяпочки. Пыльцевая трубка состоит из трех различных областей: верхушки, которая является областью роста, субапекса, которая является областью перехода, и стержня, который действует как обычные растительные клетки со специфическими органеллами. [33] [34] В области верхушки происходит рост кончика, требующий слияния секреторных пузырьков. Внутри этих пузырьков в основном находятся пектин и гомогалактуронаны (часть клеточной стенки на кончике пыльцевой трубки). [35] Пектин в области верхушки содержит метилэстеры, которые обеспечивают гибкость, прежде чем фермент пектин-метилэстераза удаляет метилэстерные группы, позволяя кальцию связываться между пектинами и обеспечивать структурную поддержку. [36] Гомогалактуронаны накапливаются в области верхушки посредством экзоцитоза, чтобы ослабить клеточную стенку. Образуется более толстая и мягкая стенка кончика с более низким пределом текучести, что позволяет клеткам расширяться, что приводит к увеличению роста кончика. Обратный фонтанный поток цитоплазмы происходит во время роста кончика, что необходимо для клеточного расширения, поскольку он транспортирует органеллы и везикулы между областью стержня и областью субапекса.

Актиновый цитоскелет является важным фактором роста пыльцевой трубки, поскольку существуют различные паттерны актинового цитоскелета в разных областях пыльцевой трубки для поддержания поляризованного роста клеток. Например, в области стержня имеются продольные актиновые кабели для регулирования обратного фонтанного цитоплазматического потока. [37] F-актин контролирует накопление полных везикул гомогалактуронана - по сути, опосредующих рост кончика - в области субапекса. [38] Актиновые нити контролируют взаимодействие апикальной мембраны и цитоплазмы, пока пыльцевая трубка растет в области апекса. [39] F-актин из апикальной мембраны производит связывающий актин белок, называемый формином, который необходим для роста кончика пыльцевой трубки. Формины экспрессируются в клетках роста кончика и делятся на две подгруппы: тип I и тип II. Формины типа I создают актиновые структуры и участвуют в цитокинезе. Формины типа II, с другой стороны, способствуют росту поляризованных клеток, что необходимо для роста кончика. [40] Рост кончика является формой экстремально поляризованного роста, и этот поляризованный процесс требует организации актинового цитоскелета, опосредованной актин-связывающим белком. Необходимым белком, необходимым для этого роста кончика, является актин-организующий белок и форминовый белок типа II, называемый детерминантом морфологии риса (RMD). RMD локализован в кончике пыльцевой трубки и контролирует рост пыльцевой трубки, регулируя полярность и организацию массива F-актина. [41] [42]

RMD способствует росту пыльцевой трубки

RMD способствует прорастанию пыльцы и росту пыльцевой трубки, и это доказано многочисленными экспериментами. В первом эксперименте сравниваются особенности пестика и рыльца мутанта rmd-1 (растение риса без функционального RMD) и растения риса дикого типа (с функциональным RMD). Пыльник и пестик были короче у мутантов rmd-1, чем у дикого типа. Этот эксперимент показал, что RMD имеет решающее значение для развития пыльцы. Растения риса дикого типа имеют повышенную скорость прорастания, в то время как мутанты rmd-1 снижают скорость прорастания. Это было видно, когда оба растения проращивались в жидкой среде для прорастания. После проверки скорости прорастания было проведено сравнение длины и ширины пыльцевых трубок между двумя растениями. Пыльцевые трубки растений дикого типа имели большую длину пыльцевой трубки, чем мутанты, но мутанты имели большую ширину трубки. Эта большая ширина пыльцевой трубки у мутантов указывает на снижение роста поляризованных клеток и, таким образом, на снижение роста кончика. Затем были собраны пыльцевые зерна дикого типа и мутантов, чтобы сравнить активность опыления между дикими типами и мутантами. Наблюдалась сниженная активность и минимальное проникновение у мутантов, тогда как повышенная активность и проникновение через столбик и к основанию пестиков у диких типов. Эти наблюдения указали на задержку роста пыльцевой трубки у мутантов rmd-1. Кроме того, не было никакого эффекта на скорость оплодотворения между диким типом и мутантом, и это было проверено путем измерения скорости завязывания семян между диким типом и мутантом. Было обнаружено, что оба имели схожую скорость завязывания семян. Следовательно, RMD не влияет на оплодотворение и оказывает влияние только на рост кончика. [42]

Экспрессия RMD в пыльцевой трубке

Извлечение общей РНК из целого цветка, цветковой чешуи, палеи, лодикулы, пестика, пыльника и зрелых пыльцевых зерен растений дикого типа проводилось с целью обнаружения того, где конкретно экспрессируется RMD в растении в целом. С помощью ОТ-ПЦР (обратная транскрипционная количественная ПЦР) было очевидно, что в каждой части растения присутствуют разные количества транскриптов RMD. А затем с помощью ОТ-ПЦР (обратная транскрипционная ПЦР) и использования УБИКВИТИНА в качестве контроля было очевидно, где в каждой части растения присутствует RMD. Эти два метода продемонстрировали, что в цветковой чешуе, пестике, пыльнике и зрелых пыльцевых зернах присутствует обильное количество транскриптов RMD. Для подтверждения этих результатов был применен другой метод. В этом методе использовались трансгенные растения, у которых промоторная область RMD была слита с репортерным геном, кодирующим GUS. [42] Гистохимическое окрашивание тканей этих трансгенных растений затем показало высокую активность GUS в пестике, стенке пыльника и зрелых пыльцевых зернах. Таким образом, эти объединенные результаты продемонстрировали, что RMD экспрессируется в этих конкретных органах растения.

Обнаружение сигналов GUS было снова использовано для изучения того, где RMD конкретно экспрессируется в пыльцевой трубке. Во-первых, пыльцевые зерна были собраны с трансгенных растений proRMD::GUS, и было отмечено, что в этих зрелых пыльцевых зернах присутствовал сильный сигнал GUS. Затем эти пыльцевые зерна были проращены in vitro, и сигналы GUS наблюдались в росте кончика пыльцевых трубок. Однако сила этих сигналов GUS различалась на разных стадиях прорастания. Сигналы GUS были слабыми в кончике пыльцевой трубки на ранней стадии прорастания, но сильнее на более поздних стадиях прорастания. Таким образом, эти результаты подтверждают, что RMD участвует в прорастании пыльцы и росте пыльцевой трубки.

Локализация РМД в пыльцевой трубке

RMD, которые являются форминами типа II, состоят из фосфатазы (PTEN)-подобного домена (ответственного за локализацию белка), а также доменов FH1 и FH2 (способствуют полимеризации актина). [43] [44] [42] Для того чтобы обнаружить локализацию RMD в пыльцевой трубке, были проведены транзиентные анализы растущих пыльцевых трубок табака и использовался флуоресцентный белок GFP. Было получено множество конфокальных изображений различных пыльцевых трубок в определенных условиях: pLat52::eGFP (одиночный eGFP, управляемый специфичным для пыльцы промотором Lat52, и он действует как контроль); pLat52::RMD-eGFP (белок RMD, слитый с eGFP); pLat52::PTEN-eGFP (домен PTEN, слитый с eGFP); и pLat52::FH1FH2-eGFP (домены FH1 и FH2, слитые с eGFP). Сравнивая изображения контроля с pLat52::RMD-eGFP, можно заметить, что один GFP был распространен по всей трубке, тогда как RMD-eGFP накапливался в области кончика трубки. Таким образом, это показывает, что RMD локализуется внутри кончика пыльцевой трубки.

Чтобы выяснить, отвечает ли домен PTEN-like за локализацию RMD, было проведено сравнение конфокальных изображений GFP, слитого с доменом PTEN, и укороченного RMD без домена PTEN (pLat52::FH1FH2-eGFP). Сигналы PTEN-eGFP локализовались на кончике пыльцевых трубок, как и сигналы RMD-eGFP, тогда как сигналы FH1FH2-eGFP присутствовали на всем протяжении пыльцевой трубки и не локализовались полярным образом. Таким образом, эти объединенные результаты показывают, что домен PTEN-like отвечает за локализацию RMD на кончике пыльцевых трубок.

RMD контролирует распределение и полярность F-актина в пыльцевой трубке

Чтобы определить, контролирует ли RMD организацию F-актина в пыльцевой трубке, массивы F-актина в зрелых пыльцевых зернах дикого типа и rmd-1 наблюдались с помощью окрашивания Alexa Fluor 488-фаллоидином. Прочно связанные актиновые нити присутствовали вокруг отверстий пыльцевых зерен дикого типа, хотя не было никакого скопления актиновых нитей вокруг отверстий в пыльцевых зернах rmd-1. Кроме того, были слабые сигналы и случайная организация актиновых нитей в пыльцевом зерне rmd-1. Таким образом, эти результаты подтверждают, что RMD необходим для контроля прорастания пыльцы.

Интенсивность флуоресценции измерялась с помощью статистического анализа для того, чтобы наблюдать за плотностью актиновых нитей внутри пыльцевых трубок. [45] Наблюдалась более высокая интенсивность флуоресценции в области стержня трубок rmd-мутанта, что означает, что в этой области наблюдалась более высокая плотность F-актина. Но наблюдалась более низкая плотность F-актина в области кончика трубок rmd-мутанта по сравнению с трубками дикого типа. Это показывает, что картина распределения F-актина в пыльцевых трубках изменяется без функционального RMD.

Для определения полярности актиновых кабелей были измерены углы между актиновыми кабелями и осью удлинения пыльцевой трубки. Углы в области стержня пыльцевых трубок дикого типа были преимущественно меньше 20°, тогда как углы для пыльцевых трубок rmd-мутанта были больше 60°. Эти результаты подтверждают тот факт, что RMD необходим для роста поляризованного кончика, поскольку пыльцевые трубки rmd-мутанта (без функционального RMD) показали увеличенную ширину и, таким образом, уменьшение роста кончика. Максимальная длина отдельных кабелей филаментов F-актина от апикальной до области стержня удлиняющихся пыльцевых трубок также была измерена для проверки полярности внутри пыльцевой трубки. Максимальная длина кабелей F-актина была короче в пыльцевых трубках rmd-мутанта по сравнению с трубками дикого типа. Таким образом, эти объединенные результаты подтверждают, что правильная организация актиновых кабелей, а также нормальная плотность F-актина в кончике трубки могут быть достигнуты только при наличии RMD.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Li HJ, Meng JG, Yang WC (март 2018 г.). «Многослойные сигнальные пути для роста и направления пыльцевой трубки». Plant Reproduction . 31 (1): 31–41. doi :10.1007/s00497-018-0324-7. PMID  29441420. S2CID  3299624.
  2. ^ О'Брайен С. и др. (1981). «Факторы, влияющие на скорость роста пыльцевой трубки у покрытосеменных растений с использованием Taraxucum в качестве модели». Журнал ботанической науки . 14 (9): 156–178.
  3. ^ Runions CJ, Owens JN (1999). «Половое размножение внутренней ели (Pinaceae). I. Прорастание пыльцы до созревания архегониалов». International Journal of Plant Sciences . 160 (4): 631–640. doi :10.1086/314170. S2CID  2766822.
  4. ^ Runions CJ, Owens JM (1999). «Половое размножение внутренней ели (Pinaceae). II. Оплодотворение до раннего формирования эмбриона». International Journal of Plant Sciences . 160 (4): 641–652. doi :10.1086/314171. S2CID  16919872.
  5. ^ abcd Kanaoka MM, Higashiyama T (декабрь 2015 г.). «Пептидная сигнализация в руководстве пыльцевой трубкой». Current Opinion in Plant Biology . 28 : 127–36. doi : 10.1016/j.pbi.2015.10.006 . PMID  26580200.
  6. ^ аб Дерксен Дж., Руттен Т., ван Амстел Т., де Вин А., Дорис Ф., Стир М. (1995). «Регуляция роста пыльцевых трубок». Акта Ботаника Нирландика . 44 (2): 93–119. doi :10.1111/j.1438-8677.1995.tb00773.x. hdl : 2066/29215 . S2CID  31051678.
  7. ^ Льюис Д., Кроу Л. К. (май 1958 г.). «Односторонняя межвидовая несовместимость у цветковых растений». Наследственность . 12 (2): 233–256. doi : 10.1038/hdy.1958.26 .
  8. ^ Herrero M, Dickinson HG (февраль 1981 г.). «Развитие пыльцевой трубки у Petunia hybrida после совместимых и несовместимых внутривидовых скрещиваний». Journal of Cell Science . 47 : 365–83. doi : 10.1242/jcs.47.1.365. PMID  7263785.
  9. ^ abcd Messerli MA, Créton R, Jaffe LF, Robinson KR (июнь 2000 г.). «Периодическое увеличение скорости удлинения предшествует увеличению цитозольного Ca2+ во время роста пыльцевой трубки». Developmental Biology . 222 (1): 84–98. doi : 10.1006/dbio.2000.9709 . PMID  10885748.
  10. ^ Jin B, Zhang L, Lu Y, Wang D, Jiang XX, Zhang M, Wang L (май 2012 г.). «Механизм изъятия капель опыления у Ginkgo biloba L». BMC Plant Biology . 12 (1): 59. doi : 10.1186/1471-2229-12-59 . PMC 3403970. PMID  22548734 . 
  11. ^ abc Boavida LC, Vieira AM, Becker JD, Feijó JA (2005). «Взаимодействие гаметофитов и половое размножение: как растения создают зиготу». Международный журнал биологии развития . 49 (5–6): 615–32. doi : 10.1387/ijdb.052023lb . hdl : 10400.7/71 . PMID  16096969.
  12. ^ abcdefg Уолш NE, Чарльзворт Д (1992). «Эволюционные интерпретации различий в скоростях роста пыльцевых трубок». The Quarterly Review of Biology . 67 (1): 19–37. doi :10.1086/417446. JSTOR  2830891. S2CID  84037292.
  13. ^ abcde Эверт РФ (2013). Raven Biology of Plants . Нью-Йорк: WH Freeman and Co. стр. 430–456.
  14. ^ ab Shimizu KK, Okada K (октябрь 2000 г.). «Привлекательные и отталкивающие взаимодействия между женскими и мужскими гаметофитами при руководстве пыльцевой трубкой Arabidopsis» (PDF) . Development . 127 (20): 4511–8. doi :10.1242/dev.127.20.4511. PMID  11003848.
  15. ^ Абдельгадир HA, Джонсон SD, Ван Стаден J (2012-03-01). "Жизнеспособность пыльцы, прорастание пыльцы и рост пыльцевой трубки в биотопливной семенной культуре Jatropha curcas (Euphorbiaceae)". Южноафриканский журнал ботаники . 79 : 132–139. doi : 10.1016/j.sajb.2011.10.005 .
  16. ^ ab "Снимая быстрый рост пыльцевой трубки на камеру, исследователи зафиксировали процесс оплодотворения растений" . Получено 23.03.2018 .
  17. ^ Bilderback DE (январь 1981 г.). «Прорастание пыльцы и рост трубок Impatiens как биоанализ токсичных веществ». Environmental Health Perspectives . 37 : 95–103. doi :10.1289/ehp.813795. PMC 1568632. PMID  7460890 . 
  18. ^ abcd Friedman WE (январь 1993). «Эволюционная история мужского гаметофита семенного растения». Trends in Ecology & Evolution . 8 (1): 15–21. doi :10.1016/0169-5347(93)90125-9. PMID  21236093.
  19. ^ ab Malhó R (2006). Пыльцевая трубка: клеточная и молекулярная перспектива . Springer.
  20. ^ Gossot O, Geitmann A (июль 2007 г.). «Рост пыльцевой трубки: преодоление механических препятствий с участием цитоскелета». Planta . 226 (2): 405–16. doi :10.1007/s00425-007-0491-5. PMID  17318608. S2CID  8299903.
  21. ^ abc Chen N, Qu X, Wu Y, Huang S (август 2009). «Регулирование динамики актина в пыльцевых трубках: контроль уровня полимера актина». Журнал интегративной биологии растений . 51 (8): 740–50. doi : 10.1111/j.1744-7909.2009.00850.x . PMID  19686371.
  22. ^ ab Gibbon BC, Kovar DR, Staiger CJ (декабрь 1999 г.). «Латрункулин B оказывает различное воздействие на прорастание пыльцы и рост трубки». The Plant Cell . 11 (12): 2349–63. doi :10.1105/tpc.11.12.2349. PMC 144132 . PMID  10590163. 
  23. ^ abcd Cheung AY, Duan QH, Costa SS, de Graaf BH, Di Stilio VS, Feijo J, Wu HM (июль 2008 г.). «Динамический цитоскелет пыльцевой трубки: исследования живых клеток с использованием репортерных белков, связывающих актин и микротрубочки». Molecular Plant . 1 (4): 686–702. doi : 10.1093/mp/ssn026 . PMID  19825573.
  24. ^ ab Huang S, Qu X, Zhang R (январь 2015 г.). «Растительные виллины: универсальные актин-регуляторные белки». Журнал интегративной биологии растений . 57 (1): 40–9. doi :10.1111/jipb.12293. PMID  25294278.
  25. ^ abcde Qu X, Jiang Y, Chang M, Liu X, Zhang R, Huang S (2015). «Организация и регуляция актинового цитоскелета в пыльцевой трубке». Frontiers in Plant Science . 5 : 786. doi : 10.3389/fpls.2014.00786 . PMC 4287052. PMID  25620974 . 
  26. ^ Гейтманн А., Паланивелу Р. (2007). «Оплодотворение требует коммуникации: генерация и восприятие сигнала во время направления пыльцевой трубки». Цветоводство и декоративная биотехнология . 1 : 77–89.
  27. ^ Malhó R (1998). «Направление пыльцевой трубки – длинная и извилистая дорога». Sexual Plant Reproduction . 11 (5): 242–244. doi :10.1007/s004970050148. S2CID  12185063.
  28. ^ Окуда С., Хигасияма Т. (2010). «Направление пыльцевой трубки молекулами-аттрактантами: LURE». Структура и функция клеток . 35 (1): 45–52. doi : 10.1247/csf.10003 . PMID  20562497.
  29. ^ Mascarenhas JP, Machlis L (январь 1964). «Хемотропная реакция пыльцы Antirrhinum majus на кальций». Физиология растений . 39 (1): 70–7. doi :10.1104/pp.39.1.70. PMC 550029. PMID  16655882 . 
  30. ^ Робинсон КР (декабрь 1985 г.). «Реакции клеток на электрические поля: обзор». Журнал клеточной биологии . 101 (6): 2023–7. doi :10.1083/jcb.101.6.2023. PMC 2114002. PMID  3905820 . 
  31. ^ Chebli Y, Geitmann A (2007). «Механические принципы, управляющие ростом пыльцевой трубки». Функциональная наука о растениях и биотехнология . 1 : 232–245.
  32. ^ ab Hirano T, Takagi K, Hoshino Y, Abe T (2013). "Реакция на повреждение ДНК в мужских гаметах Cyrtanthus mackenii во время роста пыльцевой трубки". AoB Plants . 5 : plt004. doi :10.1093/aobpla/plt004. PMC 3583183 . PMID  23550213. 
  33. ^ Geitmann, A, Emons, AMC (2000). «Цитоскелет в росте кончиков клеток растений и грибов». Журнал микроскопии . 198 (3): 218–245. doi :10.1046/j.1365-2818.2000.00702.x. PMID  10849200. S2CID  42544518.
  34. ^ Крести, Мауро; Кай, Джампьеро; Москателли, Алессандра, ред. (1999). Оплодотворение высших растений . дои : 10.1007/978-3-642-59969-9. ISBN 978-3-642-64202-9. S2CID  1876840.
  35. ^ Geitmann, A, Steer, M (5 апреля 2006 г.). «Архитектура и свойства клеточной стенки пыльцевой трубки». Пыльцевая трубка . Springer-Verlag. С. 177–200. ISBN 3540311211.
  36. ^ Bosch, Maurice; Cheung, Alice; Hepler, Peter (1 июля 2005 г.). «Пектинметилэстераза, регулятор роста пыльцевой трубки». Plant Physiology . 138 (3): 1334–1346. doi :10.1104/pp.105.059865. PMC 1176407 . PMID  15951488 . Получено 7 декабря 2021 г. . 
  37. ^ Cheung AY, Niroomand S, Zou, Y, Wu, HM (2010). «Трансмембранный формин нуклеирует субапикальную сборку актина и контролирует рост, сфокусированный на кончике пыльцевых трубок». Труды Национальной академии наук . 107 (37): 16390–16395. Bibcode : 2010PNAS..10716390C. doi : 10.1073/pnas.1008527107 . PMC 2941322. PMID  20805480 . 
  38. ^ Фу, Ин; Ян, Чжэньбяо (2001). «Rop GTPase: главный переключатель развития полярности клеток у растений». Trends in Plant Science. 6 (12): 545–547. doi:10.1016/s1360-1385(01)02130-6. ISSN 1360-1385. (2001). «Rop GTPase: главный переключатель развития полярности клеток у растений». Trends in Plant Science . 6 (12): 545–547. doi :10.1016/s1360-1385(01)02130-6. PMID  11738369.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  39. ^ Ли, Ён Цзик; Ян, Чжэнбяо (2008). «Рост кончика: сигнализация в апикальном куполе». Current Opinion in Plant Biology. 11 (6): 662–671. doi:10.1016/j.pbi.2008.10.002. ISSN 1369-5266. (2008). «Рост кончика: сигнализация в апикальном куполе». Current Opinion in Plant Biology . 11 (6): 662–671. doi :10.1016/j.pbi.2008.10.002. PMC 2613292 . PMID  18977167. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  40. ^ van Gisbergen, Peter AC; Li, Ming; Wu, Shu-Zon; Bezanilla, Magdalena (2012-07-16). "Нацеливание формина класса II на клеточный кортекс путем связывания PI(3,5)P2 необходимо для поляризованного роста". The Journal of Cell Biology. 198 (2): 235–250. doi:10.1083/jcb.201112085. ISSN 0021-9525. (2012). "Нацеливание формина класса II на клеточный кортекс путем связывания PI(3,5)P2 необходимо для поляризованного роста". The Journal of Cell Biology . 198 (2): 235–250. doi :10.1083/jcb.201112085. PMC 3410418 . PMID  22801781. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  41. ^ Yang, Weibing; Ren, Sulin; Zhang, Xiaoming; Gao, Mingjun; Ye, Shenghai; Qi, Yongbin; Zheng, Yiyan; Wang, Juan; Zeng, Longjun (2011). "BENT UPPERMOST INTERNODE1 Encodes the Class II Formin FH5 Crucial for Actin Organization and Rice Development". The Plant Cell. 23 (2): 661–680. doi:10.1105/tpc.110.081802. ISSN 1040-4651. (2011). "BENT UPPERMOST INTERNODE1 Encodes the Class II Formin FH5 Crucial for Actin Organization and Rice Development". The Plant Cell . 23 (2): 661–680. doi : 10.1105/tpc.110.081802. PMC 3077787. PMID  21307285 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  42. ^ abcd Чжан, Чжэн; Чжан, И; Тан, Хексин; Ван, Ин; Ли, Ган; Лян, Ваньци; Юань, Чжэн; Ху, Цзяньпин; Жэнь, Хайюнь (2011). «ДЕТЕРМИНАНТ МОРФОЛОГИИ РИСА. Кодирует формин типа II FH5 и регулирует морфогенез риса». The Plant Cell. 23 (2): 681–700. doi:10.1105/tpc.110.081349. ISSN 1040-4651. (2011). «ДЕТЕРМИНАНТ МОРФОЛОГИИ РИСА. Кодирует формин типа II FH5 и регулирует морфогенез риса». The Plant Cell . 23 (2): 681–700. doi :10.1105/tpc.110.081349. PMC 3077795. PMID  21307283 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  43. ^ van Gisbergen, Peter AC; Bezanilla, Magdalena (2013). "Формины растений: мембранные якоря для полимеризации актина". Trends in Cell Biology. 23 (5): 227–233. doi:10.1016/j.tcb.2012.12.001. ISSN 0962-8924. (2013). "Формины растений: мембранные якоря для полимеризации актина". Trends in Cell Biology . 23 (5): 227–233. doi :10.1016/j.tcb.2012.12.001. PMID  23317636.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  44. ^ Ван, Цзяоцзяо; Сюэ, Сюхуа; Жэнь, Хайюнь (2012-01-04). "Новое понимание роли растительных форминов: регулирование организации актинового и микротрубочкового цитоскелета". Protoplasma. 249 (S2): 101–107. doi:10.1007/s00709-011-0368-0. ISSN 0033-183X. (2012). "Новое понимание роли растительных форминов: регулирование организации актинового и микротрубочкового цитоскелета". Protoplasma. 249 : 101–107 . doi :10.1007/s00709-011-0368-0. PMID  22215231. S2CID  15684773.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  45. ^ Li, G.; Liang, W.; Zhang, X.; Ren, H.; Hu, J.; Bennett, MJ; Zhang, D. (2014-06-30). "Актин-связывающий белок риса RMD является ключевым звеном в регуляторной петле ауксин-актин, которая контролирует рост клеток". Труды Национальной академии наук. 111 (28): 10377–10382. doi:10.1073/pnas.1401680111. ISSN 0027-8424. (2014). "Актин-связывающий белок риса RMD является ключевым звеном в регуляторной петле ауксин-актин, которая контролирует рост клеток". Труды Национальной академии наук . 111 (28): 10377–10382. Bibcode : 2014PNAS..11110377L. doi : 10.1073/pnas.1401680111 . PMC 4104909. PMID 24982173  . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки