stringtranslate.com

Пыльцевая трубка

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

Пыльцевая трубка представляет собой трубчатую структуру, образующуюся мужским гаметофитом семенных растений при его прорастании. Удлинение пыльцевой трубки — неотъемлемый этап жизненного цикла растения. Пыльцевая трубка действует как канал для транспортировки клеток мужских гамет из пыльцевого зерна — либо от рыльца (у цветковых растений ) к семяпочкам у основания пестика , либо непосредственно через ткань семяпочки у некоторых голосеменных растений . У кукурузы эта единственная клетка может вырасти более чем на 12 дюймов (30 см), пересекая длину пестика .

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

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

Описание

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

Пыльцевые трубки образуются мужскими гаметофитами семенных растений . Пыльцевые трубки действуют как проводники для транспортировки клеток мужских гамет из пыльцевого зерна — либо от рыльца (у цветковых растений ) к семяпочкам у основания пестика , либо непосредственно через ткань семяпочки у некоторых голосеменных растений . Пыльцевые трубки уникальны для семенных растений , и их структура менялась на протяжении всей их истории, начиная с каменноугольного периода. Формирование пыльцевых трубок является сложным процессом, механизм которого до конца не изучен, но представляет большой интерес для ученых [1] , поскольку пыльцевые трубки транспортируют мужские гаметы, образующиеся из пыльцевых зерен, в женский гаметофит. Как только пыльцевое зерно имплантируется на совместимое рыльце, начинается его прорастание . [2] Во время этого процесса пыльцевое зерно начинает выпирать наружу, образуя трубчатую структуру, известную как пыльцевая трубка. [3] Структура пыльцевой трубки быстро опускается по длине столбика посредством роста, направленного на кончик, [ необходимы пояснения ] достигая скорости 1 см/ч, неся при этом две неподвижные сперматозоиды. [2] При достижении семязачатка пыльцевая трубка разрывается, тем самым доставляя сперматозоиды в женский гаметофит . У цветковых растений происходит двойное оплодотворение . [4] При первом оплодотворении образуется диплоидная зигота , а при втором оплодотворении образуется триплоидный эндосперм .

покрытосеменные растения

Жизненный цикл покрытосеменных.

Мужской репродуктивный орган цветка — тычинка — производит пыльцу. Раскрытие пыльников делает пыльцу доступной для последующего опыления (перенос пыльцевых зерен на пестик — женский репродуктивный орган). Каждое пыльцевое зерно содержит вегетативную клетку и генеративную клетку , которая делится с образованием двух сперматозоидов . Распространение пыльцы осуществляют абиотические переносчики, такие как ветер , вода , или биотические переносчики, такие как животные .

Как только пыльцевое зерно осядет на совместимом пестике, оно может прорасти в ответ на сахаристую жидкость, выделяемую зрелым рыльцем. Липиды на поверхности рыльца могут также стимулировать рост пыльцевых трубок совместимой пыльцы. Самостерильные растения часто препятствуют прорастанию пыльцевых зерен собственных цветков в пыльцевых трубках. Было замечено, что наличие нескольких зерен пыльцы стимулирует более быстрый рост пыльцевых трубок у некоторых растений. [5] Затем вегетативная клетка производит пыльцевую трубку, трубчатый выступ из пыльцевого зерна, который переносит сперматозоиды в свою цитоплазму . Сперматозоиды — это мужские гаметы , которые соединяются с яйцеклеткой и центральной клеткой при двойном оплодотворении . В результате первого оплодотворения образуется диплоидная зигота , а во втором — триплоидный эндосперм .

Проросшая пыльцевая трубка должна пройти через богатый питательными веществами столбик и закрутиться до нижней части завязи, чтобы достичь семяпочки. Как только пыльцевая трубка достигает семяпочки, она разрывается и доставляет два спермия. Один из сперматозоидов оплодотворяет яйцеклетку, из которой развивается зародыш, который станет будущим растением. Другой сливается с обоими полярными ядрами центральной клетки, образуя эндосперм , который служит источником питания зародыша. Наконец, завязь превратится в плод , а семяпочки — в семена .

Голосеменные растения

Поперечный срез семяпочки голосеменных и покрытосеменных растений.

Пыльца голосеменных растений образуется в микроспорангиях , расположенных на чешуйках мужской шишки или микростробила . У большинства видов растения ветроопыляемые, а пыльцевые зерна хвойных деревьев имеют воздушные пузыри, обеспечивающие плавучесть в воздушных потоках. Зерна откладываются в микропиле семязачатка женской шишки или мегастробилуса, где созревают до года. У хвойных и гнетофитов пыльца прорастает с образованием пыльцевой трубки, которая проникает в мегаспорангий или нуцеллус, неся с собой ядра сперматозоидов, которые передаются в яйцеклетку развивающихся архегониев женского растения. [6] [7]

Механизм роста пыльцевой трубки

Признание

Пыльца на стигме

Женский спорофит должен распознать пыльцу, прилипшую к рыльцу. Зачастую успешно расти может только пыльца одного и того же вида. Ауткроссированная пыльца растет успешнее. [8] [9] В системах самонесовместимости ауткроссированная пыльца растет и вытесняет собственную пыльцу. Взаимодействие между стилем и пыльцой определяет совместимость и влияет на скорость роста пыльцевой трубки. [10] Этот процесс отбора основан на регуляции на уровне генов, при которой генные локусы гинецея позволяют собственной пыльце медленно расти, прекращать рост или взрываться, в то время как происходит более быстрый рост ауткроссированной пыльцы. Системы самонесовместимости поддерживают генетическое разнообразие. [11] [12] Что касается голосеменных растений, то они не содержат пестика с рыльцем. Поэтому пыльца должна погрузиться в опылительную каплю, донося мужской гаметофит до яйцеклетки обнаженной семяпочки. Однако пыльца разных видов не попадет в каплю; пыльца остается плавающей сверху, а капля втягивается обратно в микропиле. [13]

Инициация

Механизм, предотвращающий самоопыление и позволяющий совместимой пыльце вырасти в пыльцевую трубку для оплодотворения.

Как только пыльцевое зерно распознается и гидратируется, пыльцевое зерно прорастает и образует пыльцевую трубку. [14] На этом этапе существует конкуренция, поскольку многие пыльцевые зерна могут конкурировать за достижение яйца. Рыльце играет роль в направлении спермы к восприимчивой яйцеклетке, если яйцеклеток много. [14] Только совместимые пыльцевые зерна могут расти, что определяется передачей сигналов с помощью рыльца.

В пыльцевом зерне генеративная клетка дает начало спермию, тогда как вегетативные клетки имеют трубчатую клетку, из которой растет пыльцевая трубка. У некоторых растений есть механизмы предотвращения самоопыления, например, рыльце и пыльник созревают в разное время или имеют разную длину, что в значительной степени способствует увеличению генетического разнообразия следующего поколения. [15] [16]

Скорость роста пыльцевых трубок сильно варьируется, и многие исследования были сосредоточены на передаче сигналов. [15] Экспрессия гена в пыльцевом зерне была идентифицирована как экспрессия гаметофита, а не родительского спорофита, поскольку оно экспрессирует свою собственную уникальную мРНК и ферменты. [15] У персикового дерева среда, в которой растет пыльцевая трубка, обеспечивает питание для роста трубки до семязачатка. [14] Пыльцевые трубки толерантны, и даже пыльца, поврежденная рентгеновскими и гамма-лучами, все равно может вырастить пыльцевые трубки. [15]

Рост и сигнализация

семязачаток покрытосеменных растений

На рост пыльцевой трубки влияет взаимодействие между стигмой и пыльцевым зерном. Удлинение трубки достигается за счет удлинения цитоскелета и ее расширения от кончика, что регулируется высоким уровнем кальция в цитозоле. [12] Уровни кальция помогают синаптическим пузырькам в мембранах расти и расширяться на кончиках. [9] Полипептиды, обнаруженные в стиле, также регулируют рост трубки, и были идентифицированы специфические пептиды, которые играют роль в передаче сигналов роста.

Пептиды LURE, секретируемые синергидами, занимающими пространство, прилегающее к яйцеклетке, могут использовать аттрактанты . У мутантных эмбрионов растений Arabidopsis , особенно у тех , у которых нет синергид, пыльцевые трубки не могли расти . Рост пыльцевой трубки направлен на яйца того же вида, что и пыльца. Внутривидовая передача сигналов помогает оплодотворить яйцеклетку и сперму одного и того же вида. Передача сигналов в стиле важна, поскольку пыльцевые трубки могут расти без наличия зародышевого мешка, просто взаимодействуя со столбиком. [12] [8] Другие части яичника включают цитоплазматические факторы, такие как микроРНК и химические градиенты, которые привлекают пыльцевую трубку к росту в направлении синергид. [8] [17]

Кальций и этилен у Arabidopsis thaliana участвовали в завершении пыльцевой трубки, когда она росла вблизи завязи. Увеличение содержания кальция привело к высвобождению двух сперматозоидов из трубки, а также к дегенерации синергидной клетки. [8] Химический градиент кальция также может способствовать прекращению роста трубок на ранних стадиях или в подходящее время. [17]

Длина пыльцевой трубки варьируется в зависимости от вида. Он растет колеблющимся образом, пока не будет готов выпустить сперму рядом с яйцеклеткой для того, чтобы произошло оплодотворение. [18] [19] Некоторые быстрорастущие пыльцевые трубки наблюдались у лилии, табака и недотроги султанской. [19] [20] Скорость роста дает преимущество организму, но неясно, существуют ли различия в скорости роста в популяции или они были выбраны для нескольких поколений из-за повышенной приспособленности . [15]

Эволюция

Голосеменные растения с точки зрения филогении

Было идентифицировано множество переходных особенностей, которые показывают корреляцию между развитием пыльцевой трубки и развитием неподвижных сперматозоидов. [16] Ранние семенные растения, такие как папоротники, имеют споры и подвижные сперматозоиды, которые плавают в водной среде, что называется зооидогамией . [21] 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 всасывает питательные вещества из женского нуцеллуса и растет в два этапа. Пыльцевая трубка сильно разветвлена ​​и растет на тканях женского спорофита. Сначала у него вырастает основная трубка, за которой на конце следует более сферический кончик, позволяющий сперме лопнуть возле архегониев. [21] Двуядерные и многожгутиковые сперматозоиды могут затем доплыть до яйцеклетки. [16] Саговники имеют менее разветвленное строение, а кончик набухает так же, как и у гинкго . Однако у саговников в пыльцевой трубке были идентифицированы различные ферменты, которые направляют рост, и ткани нуцеллуса более повреждаются при росте трубки. [21]

У других типов голосеменных растений, Coniferophyta и Gnetophyta , сперматозоиды неподвижны, и пыльцевая трубка доставляет сперму непосредственно в яйцеклетку в процессе, называемом сифоногамией . Хвойные деревья могут быть разветвленными или неразветвленными, и они вызывают дегенерацию женских тканей, поскольку они прорастают через большее количество тканей. [ необходимы разъяснения ] [21] Сосны, например, выделяют цитоплазму сперматозоидов, и объединение одного спермия происходит по мере того, как другой сперматозоид дегенерирует. Тем не менее, у Gnetophyta есть особенности, более похожие на пыльцевые трубки покрытосеменных растений, где трубка достигает яйцеклетки с ранней формой двойного оплодотворения. Однако эндосперм не образуется и второе оплодотворение прерывается. [16]

У покрытосеменных этот механизм изучен более подробно, поскольку пыльцевые трубки у цветковых растений растут очень быстро, используя длинные стебли, чтобы достичь хорошо защищенного яйца. Существует большое разнообразие пыльцевых трубок у покрытосеменных растений, и многие модельные растения, такие как петуния, арабидопсис , лилия и табак, изучались на предмет внутривидовых вариаций и механизмов передачи сигналов. [15] У цветковых растений может возникнуть явление, называемое полиаморией , когда оплодотворяются многие семяпочки, а общая приспособленность организма к скорости роста пыльцевых трубок еще предстоит изучить. [ нужны разъяснения ] [16] [15]

Поведение

Пыльцевые трубки — отличная модель для понимания поведения растительных клеток. [22] Их легко культивировать in vitro , и они имеют очень динамичный цитоскелет , который полимеризуется с очень высокой скоростью, придавая пыльцевой трубке интересные механические свойства. [23] Пыльцевая трубка имеет необычный рост; он простирается исключительно на вершине. Расширение клеточной стенки только на кончике сводит к минимуму трение между трубкой и пораженной тканью. Этот рост кончика происходит скорее пульсирующим, чем постоянным. [12] Путешествие пыльцевой трубки по столбику часто приводит к тому, что соотношение глубины к диаметру превышает 100:1, а у некоторых видов - до 1000:1. У кукурузы эта единственная клетка может вырасти более чем на 12 дюймов (30 см), пересекая длину пестика . Внутренний механизм и внешние взаимодействия, управляющие динамикой роста пыльцевых трубок, еще далеки от полного понимания.

Роль актинового цитоскелета

Актиновый цитоскелет оказался решающим в обеспечении роста пыльцевых трубок. [24] С точки зрения пространственного распределения, актиновые нити организованы в три различные структуры внутри пыльцевой трубки. [24] Каждое уникальное расположение или рисунок способствует поддержанию поляризованного роста клеток, характерного для пыльцевой трубки. В апикальной области — месте роста, направленного на кончики — актиновые нити менее многочисленны, однако они очень динамичны. Более того, маленькие везикулы накапливаются в апексе, указывая тем самым, что эта область является местом критических событий нацеливания и слияния везикул. Такие события необходимы для регулирования скорости и направления роста пыльцевых трубок. [25] В субапикальной области актиновые нити образуют воротникообразную структуру. Цитоплазматический поток обратного фонтана происходит в субапексе; направление потока цитоплазмы меняется на противоположное и продолжается вдоль осевых актиновых кабелей, составляющих ножку. Область голенища представляет собой центральную часть пыльцевой трубки. В этой области актиновые нити организованы в осевые пучки одинаковой полярности, тем самым обеспечивая транспорт различных органелл и везикул от основания пыльцевой трубки к кончику, стимулируя общий рост трубки. [25]

Динамика актиновых нитей

И пространственное распределение, и динамика актинового цитоскелета регулируются актин-связывающими белками (ABP). Чтобы экспериментально наблюдать изменения распределения, которые происходят в актиновом цитоскелете во время роста пыльцевых трубок, были использованы зеленые флуоресцентные белки (GFP). [24] GFP были выбраны в основном для целей динамической визуализации, поскольку они обеспечивают эффективное средство неинвазивной визуализации актиновых филаментов в растениях. Среди различных GFP, использованных во время экспериментов, были GFP-mTalin, LIM-GFP и GFP-фимбрин/ABD2-GFP. [26] Однако каждый из этих маркеров либо нарушал естественную структуру актиновых филаментов, либо неблагоприятно маркировал такие филаменты. Например, GFP-mTalin приводил к чрезмерному слипанию филаментов, а GFP-фимбрин/ABD2-GFP не метил актиновые филаменты, расположенные в апикальных или субапикальных областях пыльцевой трубки. [26] В свете этих недостатков Lifeact-mEGFP был признан предпочтительным маркером актиновых филаментов в пыльцевой трубке; Lifeact-mEGFP способен обнаруживать все три расположения актиновых нитей и оказывает минимальное влияние на естественную структуру актиновых нитей. [26] Lifeact-mEGFP использовался в качестве маркера для изучения динамики актиновых нитей в растущих пыльцевых трубках табака, лилий и арабидопсиса . [26]

Исследования, проведенные с помощью GFP, подтвердили, 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 актиновые нити, локализованные на кончиках, очень динамичны. [27] Такие эксперименты установили связь между динамикой актиновых филаментов, локализованных на кончиках, и их ролью в формировании актиновых структур в субапикальной области. [27] Кроме того, эксперименты с актиновыми нитями, расположенными в апикальном куполе Arabidopsis, показывают, что актиновые нити непрерывно производятся из апикальной мембраны пыльцевой трубки; производство этих актиновых нитей опосредовано форминами . Эти находки предоставили доказательства, подтверждающие теорию о том, что актиновые филаменты, расположенные в апикальной области, очень динамичны и являются местом нацеливания на пузырьки и событий слияния. Эксперименты с этиолированными клетками гипокотиля, а также суспензионными клетками BY-2 показывают, что высокодинамичные актиновые нити, образующиеся из апикальной мембраны, могут либо переворачиваться в результате разрыва нити и деполяризации, либо они могут перемещаться от вершины к апикальному флангу, что приводит к уменьшение накопления актиновых нитей в апикальной области пыльцевой трубки. [2]

Эксперименты по динамике актиновых филаментов в области ножки также проводились с использованием GFP. Результаты показали, что максимальная длина нити в этой области значительно увеличилась, а частота разрывов значительно снизилась. Такие данные указывают на то, что актиновые филаменты, расположенные в области ножки, относительно стабильны по сравнению с актиновыми филаментами, расположенными в апикальной и субапикальной областях. [2]

Регулирование

АБФ регулируют организацию и динамику актинового цитоскелета. [2] Как указывалось ранее, актиновые нити непрерывно синтезируются из апикальной мембраны. Это указывает на наличие мембраносвязанных факторов нуклеации актина. Путем экспериментов было высказано предположение, что формины являются представителями таких факторов нуклеации актина. Например, формин AtFH5 был идентифицирован как основной регулятор зарождения актиновых филаментов, особенно актиновых филаментов, синтезируемых из апикальной мембраны пыльцевой трубки. Генетический нокаут AtFH5 приводит к уменьшению количества актиновых филаментов как в апикальных, так и в субапикальных областях пыльцевой трубки, тем самым предоставляя больше доказательств в поддержку теории о том, что AtFH5 зарождает сборку актиновых филаментов в апикальных и субапикальных областях пыльцевой трубки. [2]

Формин класса I AtFH3 является еще одним фактором нуклеации актина. AtFH3 зарождает сборку актиновых филаментов продольных актиновых кабелей, расположенных в области ножки пыльцевой трубки. Более конкретно, AtFH3 использует комплекс актин/профилин для взаимодействия с концами актиновых филаментов, тем самым инициируя зарождение актиновых филаментов. [2]

Руководство

Обширная работа была посвящена пониманию того, как пыльцевая трубка реагирует на внеклеточные сигналы для достижения оплодотворения. [28] [22] [29] [30] Пыльцевые трубки реагируют на комбинацию химических, электрических и механических сигналов во время своего путешествия по пестику. [31] [32] [33] Однако неясно, как эти внешние сигналы работают или как они обрабатываются внутри. Более того, сенсорные рецепторы для каких-либо внешних сигналов еще не идентифицированы. Тем не менее, несколько аспектов уже были определены как центральные в процессе роста пыльцевых трубок. Актиновые нити в цитоскелете, своеобразная клеточная стенка , динамика секреторных пузырьков и поток ионов , и это лишь некоторые из фундаментальных особенностей, которые легко определить как решающие, но роль которых еще полностью не выяснена.

восстановление ДНК

Во время роста пыльцевой трубки возникающие повреждения ДНК необходимо устранять , чтобы мужская геномная информация могла быть передана в неизмененном виде следующему поколению. У растения Cyrtanthus mackenii двуклеточная зрелая пыльца содержит генеративную клетку и вегетативную клетку. [34] Сперматозоиды образуются в результате 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 транспорта к женскому гаметофиту . [34]

Организация актиновых нитей RMD способствует росту пыльцевых трубок

Обзор

Для успешного оплодотворения в пыльцевых трубках происходит быстрый рост кончиков, которые доставляют мужские гаметы в семязачатки. Пыльцевая трубка состоит из трех различных областей: вершины, которая является областью роста, субапекса, которая является переходной областью, и ножки, которая действует как нормальные растительные клетки со специфическими органеллами. [35] [36] В области верхушки происходит рост кончика и требуется слияние секреторных пузырьков. Внутри этих пузырьков в основном содержится пектин и гомогалактуронаны (часть клеточной стенки на кончике пыльцевой трубки). [37] Пектин в апексной области содержит метиловые эфиры, которые обеспечивают гибкость, прежде чем фермент пектинметилэстераза удалит метилэфирные группы, позволяя кальцию связываться между пектинами и обеспечивать структурную поддержку. [38] Гомгалактуронаны накапливаются в области верхушки посредством экзоцитоза, чтобы ослабить клеточную стенку. Формируется более толстая и мягкая стенка кончика с более низким пределом текучести при напряжении, что позволяет происходить расширению клеток, что приводит к увеличению роста кончика. Цитоплазматический поток обратного фонтана происходит во время роста кончика, что важно для клеточного расширения, поскольку он транспортирует органеллы и пузырьки между областью голени и областью субапекса.

Актиновый цитоскелет является важным фактором роста пыльцевой трубки, поскольку в разных областях пыльцевой трубки существуют разные структуры актинового цитоскелета для поддержания поляризованного роста клеток. Например, в области голени имеются продольные актиновые кабели для регуляции обратного фонтанного потока цитоплазмы. [39] F-актин контролирует накопление полных везикул гомогалактуронанов, что по существу обеспечивает рост кончиков, в субапексной области. [40] Актиновые нити контролируют взаимодействие апикальной мембраны и цитоплазмы, в то время как пыльцевая трубка растет в области верхушки. [41] F-актин апикальной мембраны вырабатывает актин-связывающий белок, называемый формином, который необходим для роста кончика пыльцевой трубки. Формины экспрессируются в клетках роста кончиков и делятся на две подгруппы: тип I и тип II. Формины типа I образуют актиновые структуры и участвуют в цитокинезе. С другой стороны, формины типа II способствуют росту поляризованных клеток, что необходимо для роста кончиков. [42] Рост кончика является формой крайне поляризованного роста, и этот поляризованный процесс требует опосредованной актин-связывающим белком организации актинового цитоскелета. Важнейшим белком, необходимым для роста кончиков, является белок, организующий актин, и белок формин типа II, называемый детерминантом морфологии риса (RMD). RMD локализован на кончике пыльцевой трубки и контролирует рост пыльцевой трубки, регулируя полярность и организацию массива F-актина. [43] [44]

RMD способствует росту пыльцевых трубок

RMD способствует прорастанию пыльцы и росту пыльцевых трубок, 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 у мутантов rmd-1 были короче, чем у дикого типа. Этот эксперимент показал, что RMD имеет решающее значение для развития пыльцы. Растения риса дикого типа имеют повышенную всхожесть, тогда как мутанты rmd-1 имеют пониженную всхожесть. Это наблюдалось, когда оба растения проращивались в жидкой среде для проращивания. 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 у мутантов, но мутанты имели большую ширину трубки. Эта большая ширина пыльцевой трубки у мутантов указывает на уменьшение роста поляризованных клеток и, следовательно, на уменьшение роста кончиков. Затем собирали пыльцевые зерна дикого типа и мутантов для сравнения активности опыления диких типов и мутантов. У мутантов наблюдалась пониженная активность и минимальное проникновение, тогда как у диких типов наблюдалась повышенная активность и проникновение через столбик и нижнюю часть пестиков. Эти наблюдения показали задержку роста пыльцевых трубок у мутантов rmd-1. Кроме того, не было никакого влияния на скорость оплодотворения между диким типом и мутантом, и это проверяли путем измерения скорости завязывания семян между диким типом и мутантом. Было обнаружено, что оба имели одинаковую скорость завязывания семян. Следовательно, RMD не влияет на оплодотворение и влияет только на рост кончиков. [44]

Экспрессия RMD в пыльцевой трубке

Была проведена полная экстракция РНК из всего цветка, леммы, палеи, плодоножки, пестика, пыльника и зрелых пыльцевых зерен растений дикого типа, чтобы обнаружить, где RMD специфически экспрессируется в растении в целом. Используя RT-qPCR (количественная ПЦР с обратной транскрипцией), было очевидно, что в каждой части растения имеется разное количество транскриптов RMD. И тогда было очевидно, где RMD присутствует в каждой части растения, с помощью RT-PCR (ПЦР с обратной транскрипцией) и использования UBIQUITIN в качестве контроля. Эти два метода продемонстрировали обильное присутствие транскриптов RMD в лемме, пестике, пыльнике и зрелых пыльцевых зернах. Для подтверждения этих результатов был использован другой метод. В этом методе использовались трансгенные растения, у которых промоторная область RMD была слита с репортерным геном, кодирующим GUS. [44] Гистохимическое окрашивание тканей этих трансгенных растений затем показало высокую активность GUS в пестике, стенке пыльника и зрелых пыльцевых зернах. Таким образом, эти объединенные результаты показали, что RMD экспрессируется в этих конкретных органах растения.

Обнаружение сигналов GUS было использовано еще раз, чтобы изучить, где RMD специфически экспрессируется внутри пыльцевой трубки. Сначала пыльцевые зерна собирали с трансгенных растений proRMD::GUS, и было отмечено, что внутри этих зрелых пыльцевых зерен присутствовал сильный сигнал GUS. Эти пыльцевые зерна затем проращивали in vitro, и сигналы GUS наблюдались в пределах роста кончиков пыльцевых трубок. Однако сила этих сигналов GUS различалась на разных стадиях прорастания. Сигналы GUS были слабыми внутри кончика пыльцевой трубки на ранней стадии прорастания, но более сильными на более поздних стадиях прорастания. Таким образом, эти результаты подтверждают, что RMD участвует в прорастании пыльцы и росте пыльцевых трубок.

Локализация РМД в пыльцевой трубке

RMD, которые представляют собой формины типа II, состоят из фосфатазы, (PTEN)-подобного домена (отвечающего за локализацию белка) и доменов FH1 и FH2 (способствуют полимеризации актина). [45] [46] [44] Чтобы обнаружить локализацию RMD в пыльцевой трубке, были проведены временные анализы растущих пыльцевых трубок табака и использован флуоресцентный белок-GFP. Наблюдалось множество конфокальных изображений различных пыльцевых трубок в определенных условиях: pLat52::eGFP (одиночный eGFP, управляемый специфичным для пыльцы промотором Lat52, который 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, видно, что одиночный GFP был распространен по всей пробирке, тогда как RMD-eGFP накапливался в области кончика пробирки. Таким образом, это показывает, что RMD локализован внутри кончика пыльцевой трубки.

Чтобы выяснить, отвечает ли PTEN-подобный домен за локализацию RMD, было проведено сравнение конфокальных изображений GFP, слитых с доменом PTEN, и укороченного RMD без домена PTEN (pLat52::FH1FH2-eGFP). Сигналы PTEN-eGFP были локализованы на кончике пыльцевых трубок, как и сигналы RMD-eGFP, тогда как сигналы FH1FH2-eGFP присутствовали по всей пыльцевой трубке и не локализовались полярно. Таким образом, эти объединенные результаты показывают, что PTEN-подобный домен 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 внутри пыльцевой трубки, наблюдали массивы F-актина в зрелых пыльцевых зернах дикого типа и rmd-1 с использованием окрашивания фаллоидином Alexa Fluor 488. Вокруг отверстий пыльцевых зерен дикого типа присутствовали прочно связанные актиновые нити, хотя в пыльцевых зернах rmd-1 скопления актиновых нитей вокруг отверстий не наблюдалось. Кроме того, наблюдались слабые сигналы и случайная организация актиновых нитей внутри пыльцевого зерна rmd-1. Таким образом, эти результаты подтверждают, что RMD необходим для контроля прорастания пыльцы.

Интенсивность флуоресценции измеряли с помощью статистического анализа, чтобы наблюдать плотность актиновых нитей внутри пыльцевых трубок. [47] В области хвостовика трубок с rmd-мутантом наблюдалась более высокая интенсивность флуоресценции, что означает более высокую плотность F-актина в этой области. Однако в области кончика пробирок с rmd-мутантом наблюдалась более низкая плотность F-актина по сравнению с пробирками дикого типа. Это демонстрирует, что характер распределения F-актина в пыльцевых трубках изменяется без функционального RMD.

Для определения полярности актиновых кабелей измеряли углы между актиновыми кабелями и осью удлинения пыльцевой трубки. Углы в области голени пыльцевых трубок дикого типа преимущественно были менее 20°, тогда как у rmd-мутантных пыльцевых трубок углы превышали 60°. Эти результаты подтверждают тот факт, что RMD необходим для роста поляризованных кончиков, поскольку rmd-мутантные пыльцевые трубки (без функционального RMD) демонстрируют увеличенную ширину и, следовательно, снижение роста кончиков. Также измеряли максимальную длину одиночных нитей F-актина от апикальной области до хвостовика удлиняющихся пыльцевых трубок, чтобы проверить полярность внутри пыльцевой трубки. Максимальная длина кабелей F-актина была короче в пыльцевых трубках rmd-мутанта по сравнению с таковыми в трубках дикого типа. Таким образом, эти объединенные результаты подтверждают, что правильная организация актиновых кабелей, а также нормальная плотность F-актина внутри кончика пробирки могут быть достигнуты только в том случае, если присутствует RMD.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ли HJ, Мэн JG, Ян WC (март 2018 г.). «Многослойные сигнальные пути для роста и управления пыльцевыми трубками». Размножение растений . 31 (1): 31–41. дои : 10.1007/s00497-018-0324-7. PMID  29441420. S2CID  3299624.
  2. ^ abcdefg Цюй X, Цзян Ю, Чанг М, Лю Икс, Чжан Р, Хуан С (2015). «Организация и регуляция актинового цитоскелета в пыльцевой трубке». Границы в науке о растениях . 5 : 786. doi : 10.3389/fpls.2014.00786 . ПМК 4287052 . ПМИД  25620974. 
  3. ^ Бедингер П. (август 1992 г.). «Замечательная биология пыльцы». Растительная клетка . 4 (8): 879–87. дои : 10.1105/tpc.4.8.879. ПМК 160181 . ПМИД  1392600. 
  4. ^ Хеплер П.К., Видали Л., Чунг А.Ю. (2001). «Рост поляризованных клеток у высших растений». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 17 (1): 159–87. doi : 10.1146/annurev.cellbio.17.1.159. ПМИД  11687487.
  5. ^ О'Брайен С. и др. (1981). «Факторы, влияющие на скорость роста пыльцевых трубок покрытосеменных растений, с использованием Taraxucum в качестве модели». Журнал ботанической науки . 14 (9): 156–178.
  6. ^ Рунионс CJ, Оуэнс Дж. Н. (1999). «Половое размножение ели внутренней (Pinaceae). I. Прорастание пыльцы до архегониального созревания». Международный журнал наук о растениях . 160 (4): 631–640. дои : 10.1086/314170. S2CID  2766822.
  7. ^ Рунионс CJ, Оуэнс JM (1999). «Половое размножение ели внутренней (Pinaceae). II. Оплодотворение для раннего формирования зародыша». Международный журнал наук о растениях . 160 (4): 641–652. дои : 10.1086/314171. S2CID  16919872.
  8. ^ abcd Канаока М.М., Хигасияма Т. (декабрь 2015 г.). «Пептидная передача сигналов в направлении пыльцевой трубки». Современное мнение в области биологии растений . 28 : 127–36. дои : 10.1016/j.pbi.2015.10.006 . ПМИД  26580200.
  9. ^ 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.
  10. ^ Льюис Д., Кроу Л.К. (май 1958 г.). «Односторонняя межвидовая несовместимость цветковых растений». Наследственность . 12 (2): 233–256. дои : 10.1038/hdy.1958.26 .
  11. ^ Эрреро М., Дикинсон Х.Г. (февраль 1981 г.). «Развитие пыльцевой трубки у Petunia Hybrida после совместимых и несовместимых внутривидовых спариваний». Журнал клеточной науки . 47 : 365–83. дои : 10.1242/jcs.47.1.365. ПМИД  7263785.
  12. ^ abcd Мессерли М.А., Кретон Р., Яффе Л.Ф., Робинсон К.Р. (июнь 2000 г.). «Периодическое увеличение скорости удлинения предшествует увеличению цитозольного Ca2+ во время роста пыльцевой трубки». Биология развития . 222 (1): 84–98. дои : 10.1006/dbio.2000.9709 . ПМИД  10885748.
  13. ^ Цзинь Б, Чжан Л, Лу Ю, Ван Д, Цзян XX, Чжан М, Ван Л (май 2012 г.). «Механизм вывода капель опыления у Ginkgo biloba L». Биология растений BMC . 12 (1): 59. дои : 10.1186/1471-2229-12-59 . ПМК 3403970 . ПМИД  22548734. 
  14. ^ abc Boavida LC, Виейра AM, Беккер JD, Фейхо JA (2005). «Взаимодействие гаметофитов и половое размножение: как растения образуют зиготу». Международный журнал биологии развития . 49 (5–6): 615–32. doi : 10.1387/ijdb.052023lb . HDL : 10400.7/71 . ПМИД  16096969.
  15. ^ abcdefg Уолш Н.Э., Чарльзворт Д. (1992). «Эволюционная интерпретация различий в скорости роста пыльцевых трубок». Ежеквартальный обзор биологии . 67 (1): 19–37. дои : 10.1086/417446. JSTOR  2830891. S2CID  84037292.
  16. ^ abcde Evert RF (2013). Ворон Биология растений . Нью-Йорк: WH Freeman and Co., стр. 430–456.
  17. ^ аб Симидзу К.К., Окада К. (октябрь 2000 г.). «Привлекательные и отталкивающие взаимодействия между женскими и мужскими гаметофитами при наведении пыльцевой трубки арабидопсиса» (PDF) . Разработка . 127 (20): 4511–8. дои : 10.1242/dev.127.20.4511. ПМИД  11003848.
  18. ^ Абдельгадир Х.А., Джонсон С.Д., Ван Стаден Дж. (01.03.2012). «Жизнеспособность пыльцы, прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок в семенных культурах биотоплива Jatropa curcas (Euphorbiaceae)». Южноафриканский журнал ботаники . 79 : 132–139. дои : 10.1016/j.sajb.2011.10.005 .
  19. ^ ab «Зафиксировав на камеру быстрый рост пыльцевых трубок, исследователи определили процесс оплодотворения растений» . Проверено 23 марта 2018 г.
  20. ^ Bilderback DE (январь 1981 г.). «Прорастание пыльцы недотроги и рост трубок как биоанализ на токсичные вещества». Перспективы гигиены окружающей среды . 37 : 95–103. дои : 10.1289/ehp.813795. ПМЦ 1568632 . ПМИД  7460890. 
  21. ^ abcd Фридман МЫ (январь 1993 г.). «Эволюционная история мужского гаметофита семенного растения». Тенденции в экологии и эволюции . 8 (1): 15–21. дои : 10.1016/0169-5347(93)90125-9. ПМИД  21236093.
  22. ^ аб Малхо Р. (2006). Пыльцевая трубка: клеточная и молекулярная перспектива . Спрингер.
  23. ^ Госсо О, Гейтманн А (июль 2007 г.). «Рост пыльцевой трубки: преодоление механических препятствий связано с цитоскелетом». Планта . 226 (2): 405–16. дои : 10.1007/s00425-007-0491-5. PMID  17318608. S2CID  8299903.
  24. ^ abc Чен Н, Цюй X, Ву Ю, Хуан С (август 2009 г.). «Регуляция динамики актина в пыльцевых трубках: контроль уровня полимера актина». Журнал интегративной биологии растений . 51 (8): 740–50. дои : 10.1111/j.1744-7909.2009.00850.x . ПМИД  19686371.
  25. ^ аб Гиббон, Британская Колумбия, Ковар Д.Р., Стайгер CJ (декабрь 1999 г.). «Латрункулин Б по-разному влияет на прорастание пыльцы и рост трубок». Растительная клетка . 11 (12): 2349–63. дои : 10.1105/tpc.11.12.2349. ПМК 144132 . ПМИД  10590163. 
  26. ^ abcd Cheung AY, Дуан QH, Коста SS, де Грааф BH, Ди Стилио VS, Фейхо Дж, Ву ХМ (июль 2008 г.). «Динамический цитоскелет пыльцевой трубки: исследования живых клеток с использованием репортерных белков, связывающих актин и микротрубочки». Молекулярный завод . 1 (4): 686–702. дои : 10.1093/mp/ssn026 . ПМИД  19825573.
  27. ^ Аб Хуан С., Цюй X, Чжан Р. (январь 2015 г.). «Растительные злодеи: универсальные регуляторные белки актина». Журнал интегративной биологии растений . 57 (1): 40–9. дои : 10.1111/jipb.12293. ПМИД  25294278.
  28. ^ Гейтманн А, Паланивелу Р (2007). «Оплодотворение требует связи: генерация и восприятие сигналов во время наведения пыльцевой трубки». Цветоводство и декоративная биотехнология . 1 : 77–89.
  29. ^ Мальхо Р. (1998). «Наведение пыльцевой трубки – долгий и извилистый путь». Половое размножение растений . 11 (5): 242–244. дои : 10.1007/s004970050148. S2CID  12185063.
  30. ^ Окуда С., Хигасияма Т. (2010). «Направление пыльцевой трубки молекулами-аттрактантами: ПРИМАНКИ». Структура и функции клеток . 35 (1): 45–52. дои : 10.1247/csf.10003 . ПМИД  20562497.
  31. ^ Маскареньяс Дж. П., Махлис Л. (январь 1964 г.). «Хемотропный ответ пыльцы Antirhinum majus на кальций». Физиология растений . 39 (1): 70–7. дои : 10.1104/стр.39.1.70. ПМК 550029 . ПМИД  16655882. 
  32. ^ Робинсон КР (декабрь 1985 г.). «Реакция клеток на электрические поля: обзор». Журнал клеточной биологии . 101 (6): 2023–7. дои : 10.1083/jcb.101.6.2023. ПМК 2114002 . ПМИД  3905820. 
  33. ^ Чебли Ю, Гейтманн А (2007). «Механические принципы, регулирующие рост пыльцевых трубок». Функциональная наука о растениях и биотехнология . 1 : 232–245.
  34. ^ аб Хирано Т., Такаги К., Хосино Ю., Абэ Т. (2013). «Реакция на повреждение ДНК в мужских гаметах Cyrtanthus mackenii во время роста пыльцевой трубки». Растения АОБ . 5 : plt004. doi : 10.1093/aobpla/plt004. ПМЦ 3583183 . ПМИД  23550213. 
  35. ^ Гейтманн, А., Эмонс, AMC (2000). «Цитоскелет при росте кончиков клеток растений и грибов». Журнал микроскопии . 198 (3): 218–245. дои : 10.1046/j.1365-2818.2000.00702.x. PMID  10849200. S2CID  42544518.
  36. ^ 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.
  37. ↑ Гейтманн А., Стир М. (5 апреля 2006 г.). «Архитектура и свойства клеточной стенки пыльцевой трубки». Пыльцевая трубка . Спрингер-Верлаг. стр. 177–200. ISBN 3540311211.
  38. ^ Босх, Морис; Чунг, Алиса; Хеплер, Питер (1 июля 2005 г.). «Пектинметилэстераза, регулятор роста пыльцевых трубок». Физиология растений . 138 (3): 1334–1346. дои : 10.1104/стр.105.059865. ПМК 1176407 . ПМИД  15951488 . Проверено 7 декабря 2021 г. 
  39. ^ Чунг А.Ю., Нируманд С., Цзоу, Ю, Ву, Х.М. (2010). «Трансмембранный формин зарождает субапикальную сборку актина и контролирует рост пыльцевых трубок, ориентированный на кончики». Труды Национальной академии наук . 107 (37): 16390–16395. Бибкод : 2010PNAS..10716390C. дои : 10.1073/pnas.1008527107 . ПМЦ 2941322 . ПМИД  20805480. 
  40. ^ Фу, Инь; Ян, Чжэньбяо (2001). «Rop GTPase: главный переключатель развития клеточной полярности у растений». Тенденции в науке о растениях. 6 (12): 545–547. doi:10.1016/s1360-1385(01)02130-6. ISSN 1360-1385. (2001). «Rop GTPase: главный переключатель развития клеточной полярности у растений». Тенденции в науке о растениях . 6 (12): 545–547. дои : 10.1016/s1360-1385(01)02130-6. ПМИД  11738369.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  41. ^ Ли, Ён Джик; Ян, Чжэньбяо (2008). «Рост кончика: передача сигналов в апикальном куполе». Современное мнение в области биологии растений. 11 (6): 662–671. doi:10.1016/j.pbi.2008.10.002. ISSN 1369-5266. (2008). «Рост кончика: передача сигналов в апикальном куполе». Современное мнение в области биологии растений . 11 (6): 662–671. дои :10.1016/j.pbi.2008.10.002. ПМЦ 2613292 . ПМИД  18977167. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  42. ^ ван Гисберген, Питер AC; Ли, Мин; Ву, Шу-Зон; Безанилья, Магдалена (16 июля 2012 г.). «Формин класса II, нацеливающийся на кору клетки путем связывания PI (3,5) P2, необходим для поляризованного роста». Журнал клеточной биологии. 198 (2): 235–250. doi:10.1083/jcb.201112085. ISSN 0021-9525. (2012). «Формин класса II, нацеливающийся на кору клетки путем связывания PI (3,5) P2, необходим для поляризованного роста». Журнал клеточной биологии . 198 (2): 235–250. дои : 10.1083/jcb.201112085. ПМК 3410418 . ПМИД  22801781. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  43. ^ Ян, Вейбинг; Рен, Сулин; Чжан, Сяомин; Гао, Минджун; Е, Шэнхай; Ци, Юнбин; Чжэн, Иян; Ван, Хуан; Цзэн, Лунцзюнь (2011). «ИЗОГНУТОЕ ВЕРХНЕЕ МЕЖДУУЗЛЕНИЕ 1 Кодирует формин FH5 класса II, имеющий решающее значение для организации актина и развития риса». Растительная клетка. 23 (2): 661–680. doi:10.1105/tpc.110.081802. ISSN 1040-4651. (2011). «ИЗОГНУТОЕ ВЕРХНЕЕ МЕЖУЗЛОВИЕ 1 кодирует формин FH5 класса II, имеющий решающее значение для организации актина и развития риса». Растительная клетка . 23 (2): 661–680. дои : 10.1105/tpc.110.081802. ПМК 3077787 . ПМИД  21307285. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  44. ^ abcd Чжан, Чжэн; Чжан, И; Тан, Гексин; Ван, Ин; Ли, Банда; Лян, Ваньци; Юань, Чжэн; Ху, Цзяньпин; Рен, Хайюнь (2011). «ДЕТЕРМИНАНТ МОРФОЛОГИИ РИСА Кодирует формин FH5 типа II и регулирует морфогенез риса». Растительная клетка. 23 (2): 681–700. doi:10.1105/tpc.110.081349. ISSN 1040-4651. (2011). «ДЕТЕРМИНАНТ МОРФОЛОГИИ РИСА Кодирует формин FH5 типа II и регулирует морфогенез риса». Растительная клетка . 23 (2): 681–700. дои : 10.1105/tpc.110.081349. ПМК 3077795 . ПМИД  21307283. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  45. ^ ван Гисберген, Питер AC; Безанилья, Магдалена (2013). «Растительные формины: мембранные якоря для полимеризации актина». Тенденции клеточной биологии. 23 (5): 227–233. doi:10.1016/j.tcb.2012.12.001. ISSN 0962-8924. (2013). «Растительные формины: мембранные якоря для полимеризации актина». Тенденции в клеточной биологии . 23 (5): 227–233. дои : 10.1016/j.tcb.2012.12.001. ПМИД  23317636.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  46. ^ Ван, Цзяоцзяо; Сюэ, Сюхуа; Рен, Хайюнь (4 января 2012 г.). «Новый взгляд на роль растительных форминов: регуляция организации актина и цитоскелета микротрубочек». Протоплазма. 249 (С2): 101–107. doi: 10.1007/s00709-011-0368-0. ISSN 0033-183X. (2012). «Новый взгляд на роль растительных форминов: регуляция организации актина и цитоскелета микротрубочек». Протоплазма . 249 : 101–107. дои : 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 )
  47. ^ Ли, Г.; Лян, В.; Чжан, X.; Рен, Х.; Ху, Дж.; Беннетт, MJ; Чжан Д. (30 июня 2014 г.). «Рисовый актин-связывающий белок RMD является ключевым звеном в регуляторной петле ауксина-актина, которая контролирует рост клеток». Труды Национальной академии наук. 111 (28): 10377–10382. doi:10.1073/pnas.1401680111. ISSN 0027-8424. (2014). «Рисовый актин-связывающий белок RMD является ключевым звеном в регуляторной петле ауксина-актина, которая контролирует рост клеток». Труды Национальной академии наук . 111 (28): 10377–10382. Бибкод : 2014PNAS..11110377L. дои : 10.1073/pnas.1401680111 . ПМК 4104909 . ПМИД  24982173. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки