Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Трубчатая структура для проведения мужских гамет растений к женским гаметам.
Tubular structure to conduct male gametes of plants to the female gametes
Поленовая трубка – это трубчатая структура, образуемая мужским гаметофитом семенных растений при прорастании. Удлинение пыльцевой трубки является важнейшим этапом в жизненном цикле растений. Поленовая трубка служит проводником для транспортировки мужских гаметных клеток из пыльцевого зерна – либо от рыльца (у цветковых растений) к семязачатку в основании пестика, либо непосредственно через ткань семязачатка у некоторых голосеменных. У кукурузы эта единственная клетка может вырастать длиннее, чем длина пестика, чтобы достичь его основания. Поленовая трубка была впервые обнаружена Джованни Баттиста Амичи в XIX веке. Она используется как модель для изучения поведения растительных клеток. В настоящее время проводятся исследования для понимания того, как поленовая трубка реагирует на внеклеточные сигналы, направляющие ее рост к оплодотворению.
A pollen tube is a tubular structure produced by the male gametophyte of seed plants when it germinates. Pollen tube elongation is an integral stage in the plant life cycle. The pollen tube acts as a conduit to transport the male gamete cells from the pollen grain—either from the stigma (in flowering plants) to the ovules at the base of the pistil or directly through ovule tissue in some gymnosperms. In maize, this single cell can grow longer than to traverse the length of the pistil. Pollen tubes were first discovered by Giovanni Battista Amici in the 19th century. They are used as a model for understanding plant cell behavior. Research is ongoing to comprehend how the pollen tube responds to extracellular guidance signals to achieve fertilization.
Описание
Пыльцевые трубки образуются мужскими гаметофитами семенных растений. Пыльцевые трубки служат проводниками для транспорта мужских гамет из пыльцевого зерна – либо от рыльца (у цветковых растений) к семязачатку в основании пестика, либо непосредственно через ткань семязачатка у некоторых голосеменных. Пыльцевые трубки уникальны для семенных растений, и их структура эволюционировала на протяжении их истории с карбонового периода. Формирование пыльцевой трубки – сложный процесс, механизм которого изучен не полностью, но представляет большой интерес для ученых. Апекс – это область, где происходит верхушечный рост, требующий слияния секреторных везикул. Внутри этих везикул в основном содержится пектин и гомогалактуронаны (компонент клеточной стенки на кончике пыльцевой трубки). Пектин в апекальной области содержит метиловые эфиры, обеспечивающие гибкость, прежде чем фермент пектинметилэстераза удалит эти группы, позволяя кальцию связываться между пектинами и обеспечивать структурную поддержку. Гомогалактуронаны накапливаются в апекальной области посредством экзоцитоза, чтобы ослабить клеточную стенку. В результате формируется более толстая и мягкая стенка кончика с низкой механической прочностью, что позволяет клетке расширяться и, следовательно, увеличивать верхушечный рост. Во время верхушечного роста происходит обратное фонтанное цитоплазматическое течение, необходимое для расширения клетки, поскольку оно транспортирует органеллы и везикулы между областью стебля и областью под апексом. Актиновый цитоскелет играет важную роль в росте пыльцевой трубки, поскольку различные регионы пыльцевой трубки характеризуются различными структурами актинового цитоскелета, необходимыми для поддержания поляризованного роста клеток. Например, в области стебля имеются продольные актиновые кабели, регулирующие обратное фонтанное цитоплазматическое течение. F-актин контролирует накопление полных везикул гомогалактуронанов, по сути, опосредуя верхушечный рост в под апекальной области. Актиновые филаменты контролируют взаимодействие апикальной мембраны и цитоплазмы во время роста пыльцевой трубки в апекальной области. F-актин из апикальной мембраны образует актин-связывающий белок, называемый формином, который необходим для верхушечного роста пыльцевой трубки. Формины экспрессируются в клетках, растущих на кончике, и делятся на две подгруппы: тип I и тип II. Формины типа I формируют актиновые структуры и участвуют в цитокинезе. Формины типа II, с другой стороны, способствуют росту поляризованных клеток, что необходимо для верхушечного роста. Верхушечный рост – это форма экстремального поляризованного роста, и этот поляризованный процесс требует организации актинового цитоскелета, опосредованной актин-связывающими белками. Существенным белком, необходимым для этого верхушечного роста, является актин-организующий белок и формин-белок типа II, называемый Rice Morphology Determinant (RMD). RMD локализуется на кончике пыльцевой трубки и контролирует рост пыльцевой трубки, регулируя полярность и организацию F-актинового массива.
Pollen tubes are produced by the male gametophytes of seed plants. Pollen tubes act as conduits to transport the male gamete cells from the pollen grain—either from the stigma (in flowering plants) to the ovules at the base of the pistil or directly through ovule tissue in some gymnosperms. Pollen tubes are unique to seed plants and their structures have evolved over their history since the Carboniferous period. Pollen tube formation is complex and the mechanism is not fully understood, but is of great interest to scientists The apex region is where tip growth occurs and requires the fusion of secretory vesicles. There is mostly pectin and homogalacturonans (part of the cell wall at the pollen tube tip) inside these vesicles. The pectin in the apex region contains methylesters which allow for flexibility, before the enzyme pectin methylesterase removes the methylester groups allowing calcium to bind between pectins and give structural support. The homogalacturonans accumulate in the apex region via exocytosis in order to loosen the cell wall. A thicker and softer tip wall with a lower stress yield will form and this allows cell expansion to occur, which leads to an increase in tip growth. Reverse fountain cytoplasmic streaming occurs during the tip growth which is essential for the cellular expansion, because it is transporting organelles and vesicles between the shank region and subapex region. The actin cytoskeleton is an important factor in pollen tube growth, because there are different patterns of actin cytoskeleton within the different regions of the pollen tube for the maintenance of polarized cell growth. For instance, there are longitudinal actin cables in the shank region in order to regulate reverse fountain cytoplasmic streaming. The F actin controls the accumulation of the homogalacturonans full vesicles essentially mediating tip growth in the subapex region. The actin filaments controls the apical membrane and cytoplasm interactions while the pollen tube is growing in the apex region. The F actin from the apical membrane makes an actin binding protein called formin which is essential for pollen tube tip growth. Formins are expressed in the tip growth cells and are divided into two subgroups: type I and type II. The type I formins make the actin structures and partake in cytokinesis. The type II formins on the other hand contribute to the growth of polarized cells which is necessary for tip growth. Tip growth is a form of extreme polarized growth and this polarized process requires actin binding protein mediated organization of actin cytoskeleton. An essential protein required for this tip growth is the actin organizing protein and type II formin protein called Rice Morphology Determinant (RMD). RMD is localized in the tip of the pollen tube and controls pollen tube growth by regulating the polarity and organization of F actin array.
РМД способствует росту пыльцевых труб
РМД способствует прорастанию пыльцы и росту пыльцевой трубки, что подтверждено многочисленными экспериментами. В первом эксперименте сравнивались характеристики пестика и рыльца мутанта rmd1 (растение риса без функционального РМД) и растения риса дикого типа (с функциональным РМД). У мутантов rmd1 тычинки и пестик были короче, чем у дикого типа. Этот эксперимент показал, что РМД критически важен для развития пыльцы. У растений риса дикого типа наблюдалась повышенная скорость прорастания, а у мутантов rmd1 – пониженная. Это было установлено при проращивании обоих образцов в жидкой среде для прорастания. После определения скорости прорастания было проведено сравнение длины и ширины пыльцевых трубок у двух растений. Пыльцевые трубки растений дикого типа имели большую длину, чем у мутантов, но у мутантов была большая ширина трубки. Эта большая ширина пыльцевой трубки у мутантов указывает на снижение роста поляризованных клеток и, следовательно, на снижение роста кончика. Далее были собраны зерна пыльцы дикого типа и мутантов для сравнения активности опыления между ними. У мутантов наблюдалась сниженная активность и минимальное проникновение, в то время как у дикого типа – повышенная активность и проникновение через столбик и до основания пестика. Эти наблюдения указывали на замедленный рост пыльцевой трубки у мутантов rmd1. Кроме того, не было обнаружено влияния на частоту оплодотворения между диким типом и мутантом, что было проверено путем измерения показателя завязывания семян у обоих. Было установлено, что у обоих образцов показатель завязывания семян был схожим. Следовательно, РМД не влияет на оплодотворение и воздействует только на рост кончика. В области «шейки» трубок мутантов rmd наблюдалась более высокая интенсивность флуоресценции, что означает более высокую плотность F-актина в этой области. Однако в области кончика трубок мутантов rmd наблюдалась более низкая плотность F-актина по сравнению с трубками дикого типа. Это демонстрирует, что схема распределения F-актина в пыльцевых трубках изменяется при отсутствии функционального РМД. Для определения полярности актиновых нитей измерялись углы между актиновыми нитями и осью удлинения пыльцевой трубки. Углы в области «шейки» пыльцевых трубок дикого типа преимущественно были меньше 20°, в то время как углы для пыльцевых трубок мутанта rmd были больше 60°. Эти результаты подтверждают, что РМД необходим для поляризованного роста кончика, поскольку пыльцевые трубки мутанта rmd (без функционального РМД) демонстрировали увеличенную ширину и, следовательно, снижение роста кончика. Также была измерена максимальная длина отдельных актиновых нитей F-актина от апикальной части до области «шейки» удлиняющихся пыльцевых трубок для проверки полярности внутри пыльцевой трубки. Максимальная длина актиновых нитей F-актина была короче в пыльцевых трубках мутанта rmd по сравнению с трубками дикого типа. Таким образом, эти совокупные результаты подтверждают, что правильная организация актиновых нитей, а также нормальная плотность F-актина в кончике трубки может быть достигнута только при наличии РМД.
RMD promotes pollen germination and pollen tube growth, and this is proven through numerous experiments. The first experiment compares the features of the pistil and the stigma of rmd 1 mutant (rice plant without a functional RMD) and the wild type rice plant (with a functional RMD). The anther and pistil were shorter in the rmd 1 mutants than the wild type. This experiment showed that RMD is critical for pollen development. Wild type rice plants have increased germination rates while rmd 1 mutants have decreased germination rates. This was seen when both were germinated in a liquid germination medium. After the germination rates were tested, there was a comparison of the lengths and widths of the pollen tubes between the two plants. The pollen tubes of the wild type plants had a greater pollen tube length than the mutants, but the mutants had a greater tube width. This greater pollen tube width within the mutants indicates the decrease in the growth of polarized cells and thus decrease in tip growth. Next, pollen grains from the wild type and mutants were collected to compare the pollination activities between the wild types and mutants. There was decreased activity and minimal penetration within the mutants whereas an increased activity and penetration through the style and to the bottom of the pistils within the wild types. These observations indicated the delayed pollen tube growth in the rmd 1 mutants. Additionally, there was no effect on fertilization rates between the wild type and the mutant and this was tested by measuring the seed setting rates between the wild type and mutant. It was found that both had similar seed setting rates. Therefore, RMD does not affect fertilization and has an effect only on tip growth. There was greater fluorescence intensity in the shank region of the rmd mutant tubes which means there was a higher density of F actin within this region. But, there was a lower density of F actin observed in the tip region of the rmd mutant tubes compared to the wild type tubes. This demonstrates that the F actin distribution pattern of pollen tubes is altered without a functional RMD. In order to determine the polarity of the actin cables, the angles between the actin cables and elongation axis of the pollen tube were measured. The angles in the shank region of the wild type pollen tubes were predominantly less than 20° whereas the angles for the rmd mutant pollen tubes were greater than 60°. These results support the fact that RMD is essential for polarized tip growth, because the rmd mutant pollen tubes (without a functional RMD) exhibited an increased width, and thus a decrease in tip growth. The maximum length of the single cables of F actin filaments from the apical to the shank region of elongating pollen tubes were also measured to test the polarity within the pollen tube. The maximum length of the F actin cables were shorter in the rmd mutant pollen tubes compared to those in the wild type tubes. Therefore, these combined results support that the proper organization of actin cables as well as normal F actin densities within the tip of the tube can only be achieved if RMD is present.