В многоклеточных организмах клетки разного типа сильно отличаются друг от друга. В каждой дифференцированной клетке – много свойственных только для нее структур, которые помогают клетке выполнять ее особые функции. Для организма важно, чтобы дифференциация каждой клетки произошла в нужное время и в нужном месте. Однако растительные молекулярные механизмы, которые помогают клетке определять ее местонахождение, пока еще не очень хорошо изучены. Процесс развития половых клеток в женских гаметофитах растения – привлекательная модель для изучения клеточной судьбы.

В женских гаметофитах покрытосеменных растений много клеток, сильно отличающихся по своим функциям. В модельном растении Arabidopsis thaliana, одна мегаспора проходит через три раунда митоза и образует семь клеток с восемью ядрами: одну яйцеклетку, одну центральную двухъядерную клетку, две клетки-спутницы (синергиды) и три клетки-антипода. Успешность полового размножения всего растения зависит от правильного развития этих клеток. Свойственные каждому типу этих клеток гены, которые экспрессируются во время дифференциации, уже установлены для некоторых растений, в том числе для Arabidopsis thaliana. Но для биологов оставалось непонятным, как и когда клетки решают, что пришло время для экспрессии этих генов и дифференциации. Исследования на мутантных растениях показывали, что существует сильная зависимость между позицией ядра в клетке и клеточной судьбой. Однако такая корреляция не обязательно означает, что положение ядра определяет судьбу клетки.

Поскольку развитие женского гаметофита происходит внутри пестика, оно скрыто от глаз наблюдателей, и исследовать его формирование ранее приходилось на фиксированных срезах.

Биологи из Нагойского и Йокогамского городского университетов под руководством Дайске Курихары (Daisuke Kurihara) разработали способ, который позволил им подглядеть за формированием клеток женского гаметофита в Arabidopsis.

Ученые использовали описанную ими же систему для культивации семязачатка in vitro – ранее ее использовали для наблюдения за ранним развитием растительного эмбриона. Сначала исследователи убедились, что в таких условиях динамика развития гаметофита (длительность клеточных делений) не отличается от нормы и показали, что таким образом можно наблюдать за гаметофитом до стадии оплодотворения.

Чтобы понаблюдать за каждым типом клеток гаметофита по отдельности, ученые заставили их вместе со специфическими для каждого типа клеток генами экспрессировать флуоресцентные белки разных цветов, а также пометили флуоресцентными белками плазматические мембраны и ядра клеток. Таким образом, при помощи флуоресцентной микроскопии исследователи видели в режиме реального времени, как и где происходит деление мегаспоры, и когда включается экспрессия тех или иных специфичных генов в клетках.

Ученые отметили, что судьба клеток определяется практически мгновенно после их формирования во время деления в зависимости от положения ядра в клетке. Например, маркеры яйцеклетки или клеток-антиподов экспрессировались уже через 1 час 40 минут после деления. А транскрипционным фактор, который считается специфичным для клеток-синергид, кроме самих синергид, сначала (на протяжении первого часа после формирования клеток) экспрессировался и в яйцеклетке и центральной клетке. Затем флуоресцентный сигнал, связанный с этим транскрипционным фактором, исчез в «лишних» клетках, и остался только в синергидах.

На видео – формирование клеток гаметофита и экспрессия специфичных для яйцеклетки и синергидных клеток маркеров.

Поскольку транскрипционный фактор MYB98, который должен был быть свойственным только для синергид, оказался активным и в других клетках, исследователи решили подробней изучить его функции. Ученые провели анализ экспрессии всех генов клеток гаметофитов растений дикого типа и с мутантным геном myb98 при помощи РНК-секвенирования. Выяснилось, что myb98 в целом влияет на экспрессию 392 генов в клетках гаметофита, и его отсутствие не только меняет строение синергидных клеток, но и направляет их развитие по типу яйцеклетки.

Кроме того, ученые заметили, что на схематичных изображениях предыдущих исследований, вакуоли в клетках гаметофитов изображены большими и по центру клеток. По наблюдениям авторов работы, вакуоли в женских гаметофитах динамично меняют свою форму, так же, как и в вегетативных клетках.

Флуоресцентная микроскопия позволяет ученым заглянуть не только в процессы развития клеток, но и проследить за динамикой отдельных молекул в клетках. Например, случайно изобретенная краска помогла исследователям проследить за клеточным транспортом.

Фото: Daichi Susaki et al. / PLOS Biology, 2021