Биологи показали, как активные формы кислорода способствуют успешному размножению растений

Российские ученые выяснили, что активные формы кислорода контролируют прорастание пыльцы и оплодотворение цветковых растений. Такие молекулы крайне охотно окисляют различные биологические вещества, благодаря чему влияют на процессы, происходящие в клетках. Оказалось, что наиболее важным компонентом, регулирующим процесс размножения растений, является перекись водорода. Это наблюдение поможет контролировать развитие значимых для человека декоративных и сельскохозяйственных культур. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Plants.

В размножении цветковых растений большую роль играет пестик, поскольку именно на его кончик, часто называемый рыльцем, попадает пыльца, которая затем прорастает и обеспечивает оплодотворение. Рыльца многих растений часто покрыты вязкой жидкостью, помогающей удерживать пыльцевые зерна — так называемым экссудатом. Он содержит воду, препятствующую высыханию пыльцы, и питательные вещества для поддержания роста пыльцевых трубок. Кроме того, в состав экссудата рыльца входят активные формы кислорода (АФК). В биологии очень популярна концепция АФК как важного фактора, контролирующего прорастание пыльцы и стимулирующего рост растений, хотя до сих пор роль этих молекул мало изучена в условиях in vivo, то есть непосредственно на живых растениях и их цветках.

Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) выяснили, какое значение имеет АФК в процессах прорастания и оплодотворения на примере растений табака обыкновенного (Nicotiana tabacum). При этом они рассмотрели разные стадии развития цветка, первая из которых соответствовала лишь появлению окраски лепестков, вторая — раскрытию цветка, третья — раскрытию пыльников тычинок и изменению окраски лепестков. Биологи оценили уровень двух типов АФК на рыльце пестика: супероксид-радикала O2- и перекиси водорода. Авторы впервые применили на живых цветках спиновую ловушку DEPMPO, которая стабилизирует радикалы и позволяет их изучать.

Оказалось, что ювенильные (молодые) рыльца выделяли супероксидный радикал гораздо активнее, чем зрелые. Далее, по мере созревания пестика, уровень супероксид-радикала заметно снижался, а активность фермента супероксиддисмутазы, которая превращает его в менее токсичную для клеток перекись, напротив, возрастала. Таким образом, решающее значение для нормального прорастания пыльцы и оплодотворения в первую очередь имела перекись водорода, которая образовалась из супероксида.

Ученые также оценили роль активных форм кислорода, обработав пестики ингибитором супероксиддисмутазы, чтобы узнать скорость и эффективность прорастания пыльцы при сниженных уровнях перекиси на рыльце. Оказалось, что в этом случае скорость врастания пыльцевых трубок в рыльце снижалась на 76%, а вероятность успешного оплодотворения и завязывания семян уменьшалась в полтора раза.

«Мы установили важные закономерности, необходимые для успешного прорастания пыльцы цветковых растений in vivo. В дальнейшем мы планируем подробнее изучить этот процесс у разных групп цветковых растений. Например, сейчас мы проводим опыты с однодольным растением — лилией — и уже обнаружили у нее важные особенности», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Мария Брейгина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры физиологии растений биологического факультета МГУ.