Развитие защитного слоя корней арабидопсиса изучили на уровне единичных ядер

Растения существуют в постоянно изменяющейся среде, однако не имеют возможности передвигаться. Чтобы выжить, они выработали способы динамической адаптации своей физиологии к условиям окружающей среды. Основой этого процесса служит формирование и поддержание популяций меристемных клеток, способных преобразовываться при необходимости в специализированные клетки. В молодом растении первичная меристема корня активно делится для увеличения длины корня, давая начало нескольким типам клеток. Корни растений также имеют вторичные меристемы, которые обеспечивают радиальное утолщение. Примером может служить делящийся феллоген, который дифференцируется и образует два типа клеток — феллодерму и феллему. Вместе феллоген, феллема и феллодерма составляют перидерму. Перидерма — защитный барьер растения. В стенках феллемы откладываются полимеры, состоящие из богатого углеродом комплекса суберина, которые связаны с устойчивостью к абиотическим стрессам и к растительным патогенам. Также суберин помогает улавливать и сохранять углерод из атмосферы в почве в течение длительного времени.

В корне арабидопсиса процесс образования перидермы начинается с деления клеток перицикла в зрелом корне с образованием вторичной меристемы — феллогена. По мере пролиферации этих клеток близлежащие эндодермальные клетки подвергаются запрограммированной клеточной гибели, и феллоген образует два клеточных слоя: феллодерму и суберизированную феллему. По мере созревания внешняя кора и эпидермис отмирают, в результате чего перидерма становится внешним слоем корня. Не до конца понятно, какие транскрипционные процессы происходят при этом. Исследователи из США использовали секвенирование РНК единичных ядер и составили атлас экспрессии генов, отражающий полный ход развития клеток корневой феллемы арабидопсиса, начиная с их предшественника — перицикла — и заканчивая созреванием.

Развитие перидермы начинается примерно через шесть дней после прорастания, а клетки феллемы видны к восьмому дню в созревающих корнях арабидопсиса. Авторы отслеживали суберизацию и установили, что дни 6–14 являются ключевым периодом для изучения инициации и развития перидермы в корне арабидопсиса.

Далее авторы секвенировали РНК единичных ядер в этот ключевой период. Они получили 19 755 высококачественных ядер и выделили 24 кластера, представляющих созревающий корень арабидопсиса. С помощью маркеров клеточного типа авторы определили кластеры для восьми основных типов клеток (трихобласт, атрихобласт, кора, эндодерма, перицикл, ксилема, флоэма и центр покоя) на различных стадиях развития, что составило 21 из 24 кластеров. Чтобы найти ядра, связанные с развитием феллемы, исследователи проанализировали экспрессию генов, связанных с суберизацией, и выявили кластеры 9, 13, 15 и 21. Кластеры 13 и 21 были также обогащены эндодермальными маркерами, что указывало на связь суберинизации и эндодермальных сигналов. Было установлено, что развитие феллемы начинается в кластере 3, связанном с перициклом. В дальнейшем были отобраны и проанализированы дифференциально экспрессируемые гены, которые одновременно высоко и специфично экспрессировались только в одном кластере.

После того, как авторы определили популяции ядер, описывающие транскрипционный ландшафт клеток феллемы, они попытались выявить гены, контролирующие переход клеток феллемы от одной стадии к другой. Исследователи обратили внимание на транскрипционный фактор MYB67, демонстрировавший интересную картину экспрессии при развитии феллемы. MYB67 экспрессировался в небольшой популяции ядер, образующих «мост» между более молодыми (кластер 15) и более старыми (кластер 9) ядрами, связанными с клетками феллемы. Авторы показали, что MYB67 контролирует переход клеток феллемы от молодых стадий к зрелым.

Авторы предположили, что развитие феллемы можно разделить на несколько транскрипционно различных, но взаимосвязанных фаз. Благодаря полученным данным возможно не только исследовать эти фазы, но и изучать транскрипционные сигналы, которые координируют переходы между ними. Оценка известных маркеров феллогена и суберизации, а также наблюдения, выполненные на репортерных и мутантных линиях, подтвердили это.

Результаты данного исследования представляют собой ценный ресурс для изучения ключевых процессов, происходящих в созревающих корнях. Поскольку феллема имеет важнейшее значение для защиты растений от абиотических стрессов и является хранилищем для связанного углерода в почве, полученный атлас экспрессии может помочь при разработке устойчивых культур с корнями, богатыми суберином.

Гены гриба и мха заставили растения светиться