Растения используют РНК для общения с соседями

Растения используют различные механизмы для общения с другими организмами, в том числе и друг с другом. Например, летучие соединения могут сигнализировать о цветении и привлекать опылителей, а микоризные грибковые сети могут передавать предупреждения или передавать ресурсы. 

Малые РНК входят в этот список коммуникационных молекул, и новые результаты подтверждают их потенциал: согласно статье, опубликованной 14 октября в журнале Nature Plants, растение Arabidopsis thaliana выделяет микроРНК (миРНК) - тип малых одноцепочечных РНК - в жидкую среду роста. Затем соседние особи поглощают эти РНК, которые изменяют экспрессию их генов, связываясь с мессенджерными РНК и не позволяя определенным генам переводиться в белки (процесс, известный как РНК-интерференция).

Хейлинг Джин, молекулярный генетик растений из Калифорнийского университета в Риверсайде, который не принимал участия в исследовании, говорит, что очень интересно видеть, что растения могут поглощать микроРНК из окружающей среды, включая те, которые "секретируются другими растениями через корни".

То, что малые РНК могут обмениваться между различными организмами, не является чем-то новым. В дополнение к их роли регуляторов экспрессии генов внутри особи - в процессе развития или в ответ на стресс - в последние годы их стали использовать для защиты от патогенов. Например, клетки арабидопсиса, зараженные патогенным грибом Botrytis cinerea, выделяют малые РНК, упакованные во внеклеточные везикулы, которые, попадая в нападающий организм, подавляют его вирулентность. Растения также способны поглощать распыленные молекулы РНК, нацеленные на гены патогенов. Последние результаты являются первым свидетельством того, что растения поглощают РНК, выделяемую другими растениями в окружающую среду.

"Результаты оказались совершенно неожиданными, - пишет в электронном письме The Scientist Пьердоменико Перата, физиолог растений из Школы передовых исследований Сант-Анна в Пизе (Италия) и соавтор исследования. Учитывая репутацию РНК как "крайне нестабильных" молекул вне клетки, он пишет, что его команда "ожидала, что миРНК будет несовместима с нестерильной средой, такой как среда роста".

Перата рассказывает, что его команда работала "над совершенно несвязанной темой" - изучением роли РНК-интерференции в условиях ограниченного доступа кислорода - и именно с этой целью они выращивали в гидропонных условиях растения арабидопсиса, созданные для производства большого количества определенных миРНК. Поскольку они просто хотели, чтобы они производили семена, добавляет он, исследователи "не заботились о размещении различных линий растений в отдельных лотках". Но затем они заметили, что у растений дикого типа, которые находились в гидропонном растворе с мутантами, фенотипы отличались от ожидаемых - например, у растений, растущих рядом с мутантами, которые сверхэкспрессировали миРНК, направленные на гены развития, изменялось время цветения. По словам Ператы, именно тогда он и его коллеги задались вопросом, "могут ли миРНК высвобождаться в жидкой среде роста, тем самым влияя на фенотип растений дикого типа".

Исследователи проверили гидропонный раствор, и вот, пожалуйста, они обнаружили миРНК. Эти миРНК присутствовали независимо от того, были ли растения, растущие в растворе, дикого типа или мутировавшие для их сверхэкспрессии, хотя в растворе мутантов было обнаружено больше РНК. Более того, культивирование обеих линий в одном и том же растворе приводило к появлению растений дикого типа с заметно более низким уровнем экспрессии генов, на которые нацелены усиленные молекулы миРНК мутантов. Применение миРНК, выделенных из мутантов или химически синтезированных эквивалентов, также снижало экспрессию генов.

Зачем растению влиять на экспрессию генов другого растения? По мнению Ператы, одна из возможностей заключается в том, что "обмен информацией посредством РНК позволяет растениям, испытывающим стресс, предупредить соседние растения, еще не затронутые стрессом". Другим объяснением может быть конкуренция, пишет он; например, если растение, выделяющее миРНК, "может подавлять физиологические функции соседнего растения", оно может получить "конкурентное преимущество в использовании ресурсов".

Один из вопросов, на который пока нет ответа, заключается в том, как растения забирают эти крошечные молекулы из окружающей среды. Предыдущая работа по изучению обмена РНК между растениями и патогенами предполагает, что в этом процессе могут участвовать экзосомы - тип везикул, которые могут выступать в качестве транспортных средств доставки. Однако исследователи обнаружили, что применение извлеченных, предположительно голых миРНК или синтетических РНК оказывает влияние на экспрессию генов, что говорит о том, что экзосомы не нужны для поглощения.

Хуэй-Шань Го, микробиолог растений из Института микробиологии при Китайской академии наук, говорит, что данные исследования о поглощении голой РНК подтверждают предыдущие сообщения о глушении генов с помощью распыленной РНК. В своем письме в The Scientist она предполагает, что, как и в случае с питательными веществами, растения могут активно усваивать малые РНК из окружающей среды. Но в отличие от веществ, которые, как известно, растения импортируют, молекулы голой РНК "считались нестабильными", говорит она, поэтому "поглощение РНК игнорировалось или недооценивалось".

Джин согласна с тем, что данные, приведенные в статье, подтверждают гипотезу о том, что растения могут поглощать голые миРНК, но она говорит, что задается вопросом, происходит ли их выделение через экзосомы из корней - этот вопрос авторы не исследовали. Она добавляет, что подозревает, что эти везикулы могут защищать миРНК, помогая растениям более эффективно их поглощать. В противном случае молекулы могли бы легче разрушаться в почве и в окружающей среде, предполагает она.

Гуо отмечает, что, поскольку этот механизм был изучен только на гидропонных растениях, пока неясно, "будут ли проростки, растущие в почве... влиять на регуляцию экспрессии генов в [соседних] растениях", что может быть изучено в будущих исследованиях.

Джин добавляет, что эти новые результаты открывают много новых вопросов, и что, вероятно, еще многое предстоит узнать о роли РНК в коммуникации растений. То, что мы знаем о ней в настоящее время, является лишь "верхушкой айсберга", - заключает она.