Wasserstoffperoxid unterstützt die sexuelle Fortpflanzung bei Fichten

215th Knowledge Seekers Workshop - Mar 15, 2018 (Kann 2019).

Anonim

Pflanzenphysiologen von MSU haben zum ersten Mal bewiesen, dass gefährliche reaktive Sauerstoffspezies, die oft als Nebenprodukte der Energieerzeugung in Zellen betrachtet werden, von Koniferen benötigt werden, um Eizellen zu befruchten. Experimente mit Pollen der Fichte (Picea pungens) führten zur Entdeckung eines Proteins, das das ganze System zum Funktionieren bringt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die gewonnenen Daten zu einer Optimierung der Nadelwaldrekonstruktion führen werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in Plant Reproduction veröffentlicht.

"Das Studium der sexuellen Fortpflanzung in Koniferen befindet sich in einem frühen Stadium, und viele seiner Aspekte sind praktisch unbekannt", sagt Co-Autorin Maria Breygina, eine leitende wissenschaftliche Forscherin an der MSU. "Diese Studien sind von grundlegender Bedeutung, da die Pollen von Nadelbäumen ein älteres Objekt mit gerichtetem Wachstum im Vergleich zu Blütenpflanzen sind."

Blühende Pflanzen haben Blüten mit Staubblättern, die die Pollen und Stempel dort verteilen, wo sie gedüngt werden. Die Kreuzbestäubung ist für eine Pflanze normalerweise vorteilhafter, da sie dazu beiträgt, die genetische Vielfalt zu erhöhen. Die Samen in Blütenpflanzen bilden sich im Inneren eines Fruchtknoten, der wiederum eine Frucht bildet (deshalb werden Blütenpflanzen auch Angiospermen genannt). Gymnospermen (von denen Koniferen die bekannteste Gruppe sind) haben jedoch auch Mechanismen für die Fremdbestäubung. In Koniferen sind dies Kegel, die tatsächlich modifizierte Sprossen sind. Die Zapfen der Koniferen sind diklinisch; männliche Zapfen sind relativ klein und erzeugen Pollen, die durch den Wind verteilt werden, und weibliche Zapfen sind größer und bilden Samen. Nach Erreichen des weiblichen Zapfens klebt der Pollen an einer speziellen Flüssigkeit (in Kiefern und Fichten) oder kleinen Haaren (wie in Douglasie).

Wenn sie an der richtigen Stelle gelandet sind (auf einem Stempel in Blütenpflanzen oder unter einer Samenschale in Gymnospermen), beginnt Pollen zu wachsen und bildet einen Pollenschlauch. Durch diese Röhre erreichen Spermien die Eizelle, um sie zu befruchten. In blühenden Pflanzen verschmilzt das zweite Sperma mit einer zentralen Zelle, um Endosperm zu bilden (ein ernährender Teil der Samen, zum Beispiel wie in Weizensamen). Deshalb wird dieser Düngungstyp als Doppeldüngung bezeichnet.

All diese Prozesse wurden schon vor langer Zeit beschrieben, aber die moderne Wissenschaft konzentriert sich auf ihre molekularen und biochemischen Aspekte. Es wurde kürzlich festgestellt, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eine Schlüsselrolle bei der Pollenkeimung bei Angiospermen spielen. ROS sind neutrale oder negativ geladene Teilchen, in denen Sauerstoff ein ungepaartes Elektron aufweist. ROS umfassen Peroxide (insbesondere Wasserstoffperoxid) und Radikale, wie das Superoxidradikal O 2 -.

Ein ungepaartes Elektron macht ROS hochreaktiv. Wenn eine große Anzahl von ROS in einer Zelle gebildet wird, können die Konsequenzen schwerwiegend sein. Diese Verbindungen können das Gleichgewicht von komplexen biochemischen Reaktionen, der Schädigung von Membranen, DNA und anderen Teilen von Zellen beeinflussen. Deshalb werden ROS unabhängig von ihrer Herkunft oft als gefährliche Nebenprodukte betrachtet, die so schnell wie möglich neutralisiert werden müssen. Dennoch synthetisieren bestimmte Zellen sie in kleinen Mengen und verwenden sie als Boten. Aufgrund der Vieldeutigkeit dieser Verbindungen ist es äußerst wichtig, die nützlichen Funktionen von ROS zu untersuchen, wie ihre Rolle bei der Pflanzendüngung.

Pflanzenphysiologen von MSU waren die ersten, die die Rolle von ROS bei der Pollenkeimung bei Nadelbäumen (Blaufichte) untersuchten und herausfanden, dass Pollenkörner Wasserstoffperoxid und O2- in die Umwelt absondern, bevor sie keimen. Später bildet sich im Pollenschlauch ein Wasserstoffperoxidgradient, dh seine Konzentration ist in der Spitze erhöht. Dieser Gradient scheint notwendig zu sein, damit die Röhre zur Eizelle wächst, und um den Gradienten der Membranpotentiale (negative Ladung) zu unterstützen (der erstmals bei Koniferen beschrieben wird), obwohl diese Gradienten nicht miteinander verwandt zu sein scheinen direkt.

Die Wissenschaftler fanden heraus, welches Protein diesen Prozess reguliert. Es wurde zu NADPH-Oxidase, die sich in Zellmembranen befindet. Dieses Protein ist verantwortlich für die Bewegung von Elektronen aus der Zelle und die Bildung von extrazellulärem Superoxid. ROS wandelt sich sehr schnell um, O2 wird zu Peroxid, das wieder in die Zelle eintritt. Aufgrund dieses Prozesses wird Wasserstoffperoxid graduell im Pollenschlauch verteilt. Experimente haben gezeigt, dass nach NADPH-Oxidase-Unterdrückung Pollenkörner nicht keimen und Pollenschläuche nicht mehr wachsen können. Daher findet keine Befruchtung statt.

"Die Ergebnisse dieser und weiterer Studien können dazu genutzt werden, die Wiederherstellung von Wäldern, insbesondere von Tannen, Zedern, Kiefern und Silbertannen, zu optimieren und eine Sammlung von Waldrassen in Russland zu bilden", sagte Maria Breygina.

Alle Autoren des Artikels studieren oder arbeiten an der MSU. Maria war verantwortlich für die Erstellung des Artikels und die Verarbeitung der experimentellen Daten von Ph.D. Student Nikita Maksimov und Student Anastasiya Evmenyeva. Die Idee wurde von Igor Ermakov, Doktor der Biologie, Professor der Abteilung für Pflanzenphysiologie und Koordinator der Studie entwickelt.

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