Растения выбирают партнеров: ученые по-прежнему раскрывают секреты размножения

Можно было бы думать, что у цветов нет особых возможностей при выборе партнеров: они укоренены в земле и не могут двигаться. Однако когда ученые из Нагои, Япония, использовали мощные микроскопы для изучения процесса оплодотворения, они с удивлением обнаружили, что женская часть цветкового растения (семяпочки) может отталкивать сперматозоиды от пыльцы и направлять их к близлежащим неоплодотворенным семяпочкам того же растения.

Но сначала важнее понять, как происходит размножение цветковых растений. Как и животные, они участвуют в половом размножении, когда мужские и женские части соединяются и создают новую жизнь.

Как у цветковых растений, так и у животных эти репродуктивные клетки, также известные как гаметы, содержат половину числа хромосом, обнаруженных в нормальных взрослых клетках. Слияние гамет восстанавливает нормальное число хромосом и позволяет развиться эмбриону, который в конечном итоге может стать взрослой особью, как растения и люди, которых вы видите вокруг себя.

Большинство организмов вырабатывают гораздо больше спермы, чем яйцеклеток. В процессе размножения млекопитающих сперматозоиды очень подвижны, и многие из них достигают яйцеклетки примерно в одно и то же время. Однако множественное оплодотворение случается редко. Это привело бы к появлению ненужных хромосом, нарушению баланса генома эмбриона и, вероятно, аномалиям развития, включая смерть.

Цветковые растения сталкиваются с похожими проблемами при сопоставлении одного сперматозоида с одной яйцеклеткой, но они справляются с этим совсем не так, как млекопитающие. Даже производство яйцеклеток и спермы у растений сложнее.

Пыльца, которая переносит мужские гаметы, производится в специализированных органах, называемых пыльниками. Это овальные части, образующие верхушку тычинки. Когда пыльники разрываются, что должно быть синхронизировано с развитием цветка, обнажаются зрелые пыльцевые зерна. Эти пыльцевые зерна переносятся в женские части цветка с помощью ветра, насекомых, птиц или других опылителей. Но многочисленные биологические привратники или барьеры гарантируют, что происходят только подходящие спаривания.

Когда пыльца попадает на липкую восприимчивую поверхность женской части цветка, называемую рыльцем, которая является частью пестика, пыльца должна прорасти на рыльце. Затем она прорастает вниз через столбик, к яйцеклетке, которая находится глубоко внутри семяпочки. Пыльца может сделать это только в том случае, если она совместима с пестиком. Так же, как у животных, размножение внутри семьи у растений может иметь недостатки, такие как плохой рост.

Чтобы избежать этих проблем, около пятидесяти процентов видов цветковых растений выработали механизм, называемый самонесовместимостью, который помогает предотвратить инбридинг. Например, когда белки пыльцы и пестика распознают друг друга как принадлежащие одному и тому же растению, посылается сигнал, блокирующий рост пыльцевой трубки, предотвращая оплодотворение.

Но многие пыльцевые зерна могут приземлиться на рыльце и прорасти. Так как же растения обеспечивают проникновение в каждую семяпочку только одной пыльцевой трубки? Используя микроскопию живых клеток вместе со специальными флуоресцентными трекерами , ученые могут наблюдать и измерять изменения внутри клеток. Эта технология помогает понять, как контролируется рост пыльцевой трубки, путем мониторинга различных аспектов активности клеток, таких как уровни энергии, кислотность и клеточные структуры.

Недавнее исследование, проведенное в Японии, использовало передовые методы визуализации, чтобы показать, что белковые сигналы направляют пыльцевую трубку к отдельной семяпочке внутри яичника посредством процесса, называемого хемотаксисом. Хемотаксис действует как навигационная система, в которой растущий кончик пыльцевой трубки наводится на источник этих белковых сигналов.

Система также гарантирует, что каждая семяпочка спаривается только с одной пыльцевой трубкой. Исследователи обнаружили, что система также включает сигнал отталкивания. Как только пыльцевая трубка фиксируется на конкретной семяпочке, другой сигнал предотвращает приближение дополнительных пыльцевых трубок к той же семяпочке и перенаправляет пыльцевые трубки к другим семяпочкам. Такая точная координация обеспечивает успешное оплодотворение и эффективное производство семян, что необходимо для производства наших продуктов питания.

Есть еще один барьер, когда пыльцевая трубка выпускает сперматозоиды в семяпочку. Большинство нецветущих, часто называемых низшими, растений, таких как папоротники, мхи и водоросли, имеют подвижные мужские гаметы, похожие на сперму животных. Однако сперматозоиды цветковых растений утратили свою подвижность и доставляются к месту назначения пыльцевой трубкой, которая может расти со скоростью до одного сантиметра в час.

На протяжении всего путешествия внутри женских частей цветка (рыльца, столбика и семяпочки) происходит интенсивное общение между пыльцевой трубкой и различными частями пестика. Семяпочка выделяет аттрактанты, небольшие белки, называемые LURE, которые направляют пыльцевые трубки к ней. Как только трубка достигает семяпочки, она проникает внутрь и выпускает два сперматозоида.

В увлекательном эволюционном повороте эти два сперматозоида выполняют двойное оплодотворение: один оплодотворяет яйцеклетку, другой – особую клетку, называемую центральной. Оплодотворенная яйцеклетка развивается в эмбрион, который вырастет в новое растение, в то время как оплодотворенная центральная клетка создает эндосперм. Это своего рода ткань, которая поддерживает и питает эмбрион, подобно тому, как плацента млекопитающих питает нерожденного ребенка. Хотя у многих видов эндосперм является временным, а семя в основном представляет собой лишь зародыш, у злаков эндосперм составляет большую часть спелых семян, которые мы собираем для приготовления таких продуктов, как хлеб и каша.

Растения настолько отличаются от нас, что это легко списать на простоту. Но с каждым годом ученые узнают все больше о том, насколько сложна и запутанна их жизнь.

Поддержать развитие блога можно на Boosty по ссылке.