Недавно открытый регуляторный путь примечателен тем, что он направляет сигналы, исходящие от конечностей растения – появляющихся молодых листьев, называемых примордиями, – в нишу стволовых клеток, называемую меристемой, расположенной на кончике роста растения.
Биологам растений давно известен другой путь, называемый путь CLAVATA-WUSCHEL, который регулирует пролиферацию стволовых клеток изнутри части самой меристемы, называемой организующим центром (OC).
В этом каноническом пути «рецептор и лиганд [оба] экспрессируются в стволовых клетках, которые посылают сигналы вниз в клетки, расположенные чуть ниже, в ОК», – объясняет профессор CSHL Дэвид Джексон, возглавлявший команду, открывшую новый путь.
WUSCHEL – это фактор транскрипции, который изменяет экспрессию генов и тем самым способствует пролиферации стволовых клеток, которые являются тотипотентными – способны у растений, как и у людей, развиваться в клетки любого типа. В каноническом пути CLAVATA-WUSCHEL стволовые клетки отправляют обратно в ОК отрицательный сигнал, подавляя сигнал для пролиферации.
Аналогичная обратная связь устанавливается и в недавно открытом пути, хотя его сигнал начинается в листьях.
Наличие сигнала, исходящего от листьев, является новым и захватывающим, потому что он может действовать как своего рода датчик окружающей среды, сообщая тотипотентным стволовым клеткам в меристеме, чтобы они прекратили размножаться – тормоз, применяемый более старыми, более развитыми частями растения, например, в ответ на сигналы окружающей среды, такие как доступный свет, питательные вещества или влажность.
Джексон и его коллеги определили рецептор этих «тормозных сигналов от листьев» в клетках в нижней части меристемы. Они назвали рецептор FEA3.
Они также обнаружили лиганд, который взаимодействует с рецептором, фрагмент белка под названием FCP1.
В рамках очень важного продолжения работы по открытию команда Джексона изучила растения кукурузы, у которых FEA3 – рецептор сигнала от листьев – был дисфункциональным из-за различных мутаций в гене FEA3.
Когда рецепторы FEA3 в меристеме вообще не могут функционировать, «это как будто они слепы по отношению к FCP1», – говорит Джексон. Тормозной сигнал, который FCP1 посылает от листьев к меристеме, не принимается, и стволовые клетки активно размножаются.
Растение производит слишком много стволовых клеток, и они дают слишком много новых семян – семян, которые растение не может поддержать доступными ресурсами (светом, влагой, питательными веществами). У таких мутантных растений FEA3 развиваются початки кукурузы, которые проявляют качество, называемое фасциацией; из их сильно вытянутых меристем образуется слишком много зародышей, которые деформируются и в конечном итоге не дают ушей.
Но когда команда Джексона выполнила генетический трюк, выращивая растения с так называемыми «слабыми аллелями» гена FEA3, функция рецептора FEA3 была нарушена лишь незначительно. Этот умеренный отказ тормозного сигнала извне меристемы привел к умеренному, управляемому увеличению стволовых клеток и появлению ушей, которые были значительно больше, чем уши у растений дикого типа.
Эти початки, полученные из растений кукурузы, выращенных на слабых аллелях FEA3, имели больше рядов зерен и общую урожайность на 50% выше, чем растения дикого типа.
Поскольку недавно открытый путь FAE3-FCP1 высоко консервативен во всем царстве растений, открытие, сделанное командой Джексона, может привести к значительному увеличению урожайности всех основных основных сельскохозяйственных культур.
Прежде чем такая трансляционная работа будет продолжена, Джексон и его коллеги планируют протестировать недавно обнаруженные аллели FEA3 в элитных сортах кукурузы и других культур в сельскохозяйственных испытаниях.
Эта работа была поддержана Программой исследования генома растений NSF; Дюпон Пионер; Благотворительный фонд Гэтсби; Шведский исследовательский совет; Администрация сельского развития, Республика Корея.