Τα φυτικά κύτταρα διαφορετικών ειδών μπορούν να ανταλλάξουν οργανίδια
Πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, οι γενετιστές φυτών παρατήρησαν κάτι περίεργο όταν εξέτασαν τα εμβολιασμένα φυτά. Όπου δύο φυτά αναπτύχθηκαν μαζί, τα κύτταρα κάθε φυτού έδειχναν σημάδια ότι είχαν πάρει σημαντικές ποσότητες DNA από το άλλο. Από μόνο του, αυτό δεν ήταν πρωτοφανές, επειδή οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων δεν είναι ασυνήθιστες στα βακτήρια, ακόμη και σε ζώα, μύκητες και φυτά. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, το μεταφερόμενο DNA φαινόταν να είναι ολόκληρο το άθικτο γονιδίωμα των χλωροπλαστών. Αυτό δημιούργησε ένα αίνιγμα, επειδή τα φυτικά κύτταρα σφραγίζονται μέσα σε ένα προστατευτικό κυτταρικό τοίχωμα που δεν προσφέρει προφανή τρόπο για να εισέλθει τόσο πολύ DNA.
Τώρα, ερευνητές στο εργαστήριο του Ralph Bock στο Ινστιτούτο Μοριακής Φυσιολογίας Φυτών Max Planck στο Πότσνταμ ανακάλυψαν επιτέλους την απάντηση καταγράφοντας αυτή τη μεταφορά σε βίντεο. Όχι μόνο τα κυτταρικά τοιχώματα είναι μερικές φορές πιο πορώδη από ό,τι πιστεύαμε, αλλά τα φυτά φαίνεται να έχουν αναπτύξει έναν μηχανισμό που επιτρέπει σε ολόκληρα οργανίδια να σέρνουν μέσα από το κυτταρικό τοίχωμα σε γειτονικά κύτταρα. Οι ερευνητές ανέφεραν την ανακάλυψή τους στο τεύχος της 1ης Ιανουαρίου του Science Advances .
«Η πραγματική καινοτομία είναι ότι έδειξαν ότι το πραγματικό φυσικό οργανίδιο κινείται, [και] όχι μόνο από το ένα κύτταρο στο άλλο», δήλωσε ο Charles Melnyk, φυτοβιολόγος που μελετά εμβολιασμό στο Σουηδικό Πανεπιστήμιο Γεωργικών Επιστημών στην Ουψάλα. "Είναι δύο διαφορετικά φυτά που ανταλλάσσουν οργανίδια."
Απροσδόκητες τρύπες στους τοίχους
Οι αγρότες χρησιμοποιούσαν φυτικά μοσχεύματα τουλάχιστον από τις ημέρες της αρχαίας Ρώμης για να καλλιεργήσουν οπωροφόρα δέντρα και αμπέλια. Ο εμβολιασμός ενός φλοιού - το ανθοφόρο, καρποφόρο μέρος ενός φυτού - σε καθιερωμένο υποκείμενο μπορεί να βοηθήσει τα νεαρά οπωροφόρα δέντρα ή τα αμπέλια να καρποφορήσουν νωρίτερα και να βελτιώσουν την αντοχή τους σε παράσιτα και ασθένειες. Ο εμβολιασμός συμβαίνει και στη φύση, όταν συγγενικά φυτά που αγγίζουν το ένα το άλλο τελικά συγχωνεύονται ή όταν παρασιτικά φυτά σχηματίζουν συνδέσεις με τους ξενιστές τους. Στη θέση του μοσχεύματος, τα φυτά σχηματίζουν ένα είδος ουλής, ή κάλους, που αποκαθιστά τη ροή του νερού και των θρεπτικών ουσιών μέσω των αγγειακών ιστών κατά μήκος του τραύματος και μερικές φορές δημιουργεί νέους βλαστούς.
Πριν από περίπου μια δεκαετία, ο Bock και η ομάδα του μπόλιασαν μαζί δύο είδη φυτών καπνού και ακολούθησαν γονίδια και από τις δύο πλευρές του κάλλου. Ανακάλυψαν ότι ολόκληρο το γονιδίωμα των χλωροπλαστών είχε ανταλλάξει μεταξύ του υποκείμενου και του γένους. (Όπως τα μιτοχόνδρια, οι χλωροπλάστες και τα άλλα φυτικά οργανίδια που ονομάζονται πλαστίδια είναι υπολείμματα αρχαίων ενδοσυμβιωτικών βακτηρίων και φέρουν το δικό τους γενετικό υλικό.) Στην πραγματικότητα, ολόκληρα τα γονιδιώματα των χλωροπλαστών των 150 kilobase είχαν μεταφερθεί άθικτα, όχι όπως γυμνά θραύσματα DNA που ανασυνδυάστηκαν τυχαία μεταξύ άλλων γονίδια. Οι τυχαίοι υβριδισμοί ή οι ιογενείς λοιμώξεις, που προκαλούν πολλές οριζόντιες μεταφορές, δεν μπορούσαν να το επιτύχουν αυτό.
«Αυτό δεν είναι αυτό που θα περίμενε κανείς από ένα φυτικό κύτταρο», είπε ο Pal Maliga, φυτοεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Rutgers που έχει βρει ανεξάρτητα γενετικά στοιχεία για τη μεταφορά χλωροπλαστών και μιτοχονδρίων μέσα στα μοσχεύματα. Τα φυτικά κύτταρα είναι θωρακισμένα με ένα άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα, έτσι «η εικόνα μου για ένα φυτικό κύτταρο ήταν το κυτταρόπλασμα που κάθεται σε ένα κλουβί και κανείς δεν πηγαίνει πουθενά», είπε ο Maliga.
Τα γενετικά στοιχεία για τις μεταφορές έθεσαν ένα πραγματικό παζλ:Τα μόνα γνωστά ανοίγματα στα κυτταρικά τοιχώματα ήταν τα μικροσκοπικά πλασμοδάσματα, οι στενές γέφυρες (πλάτους μόνο περίπου 0,05 microns) που επιτρέπουν στα γειτονικά φυτικά κύτταρα να ανταλλάσσουν πρωτεΐνες και μόρια RNA. Ο χλωροπλάστης, τυπικά περίπου 5 μικρά σε διάμετρο, «ήταν πολύ μεγάλος για να μετακινηθεί» μέσα από αυτά, είπε ο Maliga. «Έμοιαζε σαν να εμφανίστηκε από θαύμα στο άλλο κελί».
Το μυστήριο παρέμεινε έως ότου ο Μποκ συνεργάστηκε με τον μεταδιδακτορικό συνάδελφό του Alexander Hertle, ο οποίος είχε εξειδίκευση στην απεικόνιση ζωντανών κυττάρων και τη μικροσκοπία. Ο Χερτλ ήταν αποφασισμένος να δει τι συνέβαινε στον κάλο. Εξετάζοντας λεπτά τμήματα του μοσχεύματος με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, είδε ότι τα κύτταρα είχαν ανοίγματα μεγαλύτερα από όσα είχαν δει προηγουμένως. Αλλά ακόμη και αυτά, που είχαν πλάτος έως και 1,5 μικρόν, φαινόταν πολύ στενά για τους χλωροπλάστες.
Στη συνέχεια, ενώ παρατηρούσε ζωντανά κύτταρα στον κάλο, ο Hertle έπιασε εικόνες των χλωροπλαστών κατά τη μετανάστευση. Μερικοί από τους χλωροπλάστες μετατράπηκαν σε πιο πρωτόγονα, πιο κινητικά πρωτοπλαστίδια που θα μπορούσαν να γίνουν τόσο μικρά όσο 0,2 μικρά. Καθώς ο Hertle παρακολουθούσε, τα πρωτοπλαστίδια σέρνονταν κατά μήκος του εσωτερικού της κυτταρικής μεμβράνης σε θέσεις κάτω από τις πρόσφατα ανακαλυφθείσες οπές στο κυτταρικό τοίχωμα. Οι βλεφαρίδες προεξοχές των κυτταρικών μεμβρανών στη συνέχεια διόγκωσαν σε γειτονικά κύτταρα και παρέδωσαν τα οργανίδια. Καθώς η οργάνωση των ιστών στο μόσχευμα αποκαταστάθηκε, τα πλαστίδια επέστρεψαν στο κανονικό μέγεθος για τους χλωροπλάστες.
«Έτσι, σίγουρα υπάρχουν τρύπες στο κυτταρικό τοίχωμα που θα επέτρεπαν στα πλαστίδια να περάσουν», είπε ο Hertle. Το δόγμα ότι ένα φυτικό κυτταρικό τοίχωμα είναι ένα παχύ, περισσότερο ή λιγότερο μόνιμο φράγμα «βασικά εξαφανίζεται με αυτή τη μελέτη».
A Healing Exchange
Η μεταμόρφωση των χλωροπλαστών δεν είναι ακόμα καλά κατανοητή, αλλά φαίνεται να είναι μια απάντηση στην πείνα από άνθρακα και στη λιγότερη φωτοσύνθεση, εξήγησε ο Hertle. Όταν οι ερευνητές έσβησαν τα φώτα, παρατήρησαν ότι περισσότερα πλαστίδια αποδιαφοροποιήθηκαν και η συχνότητα μεταφοράς οργανιδίων πενταπλασιάστηκε.
Το πόσο καλά λειτουργούν τα μεταφερόμενα πλαστίδια στα νέα κύτταρα-ξενιστές τους εξαρτάται από το πόσο στενά συγγενικά είναι τα δύο είδη, λέει η Maliga. Εάν η γενετική αναντιστοιχία με το πυρηνικό DNA είναι πολύ ακραία, τα οργανίδια μπορεί να μην λειτουργήσουν και τελικά να χαθούν. Θα μπορούσαν όμως να ευδοκιμήσουν στα κελιά στενών συγγενών.
Ο Maliga υποπτεύεται ότι τα πρωτοπλαστίδια μπορεί να περιέχουν ή να παράγουν μόρια σηματοδότησης που βοηθούν την επούλωση του τραύματος του μοσχεύματος. Τα μεγάλα ανοίγματα που σχηματίζονται στα κυτταρικά τοιχώματα φαίνεται επίσης να αποτελούν μέρος της επείγουσας επούλωσης του φυτού στο τραύμα στο σημείο του μοσχεύματος, αλλά μπορεί να εμφανιστούν και σε κάποιο στάδιο της φυσιολογικής ανάπτυξης του φυτού, λέει ο Maliga.
Η μετανάστευση ολόκληρων οργανανίων θα μπορούσε να εξηγήσει την παρατήρηση ότι οι χλωροπλάστες από συστάδες διαφορετικών ειδών δέντρων οξιάς που αναπτύσσονται το ένα κοντά στο άλλο έχουν περισσότερες γενετικές ομοιότητες από ό,τι οι χλωροπλάστες από πιο ευρέως αποστασιοποιημένες ομάδες οξιών, λέει ο Hertle. Τα γεγονότα σύλληψης χλωροπλαστών εξηγούν επίσης γιατί οι ερευνητές μερικές φορές λαμβάνουν ασυνεπή αποτελέσματα κατά την ανακατασκευή της εξελικτικής ιστορίας των φυτών:Τα γονιδιώματα των πυρηνικών και των χλωροπλαστών μπορεί να έχουν διαφορετικές γενεαλογίες.
Δεν είναι ακόμη σαφές πόσο συχνά αυτό το είδος οριζόντιας μεταφοράς γονιδιώματος μέσω μετανάστευσης οργανιδίων συμβαίνει στη φύση. Ίσως τα φυτά να μετακινούν χλωροπλάστες μεταξύ των κυττάρων τακτικά ως απόκριση σε τραυματισμούς ή άλλα γεγονότα. κανείς δεν ξέρει. Ο Bock, ο Maliga και άλλοι ερευνητές μπόρεσαν να τεκμηριώσουν τις μεταφορές γονιδιώματος μόνο επειδή οι διαφορές στους εμβολιασμένους ιστούς έδιναν άγνωστο σε αυτό που συνέβαινε. Αλλά εάν τα φυτά έχουν αναπτύξει έναν μηχανισμό για τη μεταφορά οργανιδίων, τότε τα σχετικά σπάνια φυσικά συμβάντα εμβολιασμού μπορεί να είναι μόνο μία ευκαιρία για αυτά.
Συνηθισμένο ή όχι, το φαινόμενο μπορεί να έχει εξελικτικές ή οικολογικές επιπτώσεις. Ο Hertle επισημαίνει ότι από τη στιγμή που ένα μωσαϊκό κύτταρο σε έναν κάλλος μοσχεύματος αρχίσει να παράγει ρίζες, βλαστούς και άνθη, θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα νέο είδος ή υποείδος, ειδικά εάν τα κυτταρικά τοιχώματα ανοίγουν αρκετά για να δεχθούν πυρηνικά γονιδιώματα. Το 2014, η ομάδα του Bock χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για να δημιουργήσει ένα νέο είδος στην οικογένεια των νυχτολιθικών με έναν συνδυασμό πυρηνικών και οργανιδίων γονιδιωμάτων που δεν θα μπορούσαν να προκύψουν από υβριδισμό. Εάν η φύση προσφέρει έναν εύκολο τρόπο μεταφοράς οργανιδίων μεταξύ των φυτών, οι ερευνητές της βιοτεχνολογίας μπορούν να το βάλουν στη δουλειά για τη δημιουργία επιθυμητών νέων ειδών καλλιέργειας.
Αν και οι πιθανές εφαρμογές είναι πολλές, για τον Hertle τίποτα δεν ξεπερνά τη χαρά της βασικής ανακάλυψης. «Το πράγμα που είναι πολύ ενδιαφέρον για την επιστήμη της μικροσκοπίας είναι ότι βλέπεις πράγματα που δεν θα πίστευες ποτέ ότι υπάρχουν», είπε.
