Растение-альпинист прядет собственную флавоноидную «шерсть»
Как версия Человека-паука из фильмов, который выпускает паутину из отверстий в запястьях, небольшое альпийское растение было обнаружено выбрасывающим паутинообразные нити из крошечных отверстий в специализированных клетках на своих листьях. Именно эти микроскопические отверстия удивили ученых, поскольку прокалывание поверхности растительной клетки обычно заставляет ее взрываться, как воздушный шар.
Небольшое многолетнее подушкообразное растение с ярко-желтыми цветками, Dionysia tapetodes, относится к семейству первоцветных. Оно естественным образом произрастает в Туркменистане и на северо-востоке Ирана, а также в горах Афганистана до границы с Пакистаном. Его необычность — в листьях, покрытых длинными шелковистыми волокнами, напоминающими тонкую паутину, которые называют «шерстистым фарином» (woolly farina).
Многие родственники этого растения из семейства первоцветных имеют листья, покрытые тонким порошком, состоящим почти целиком из флавона — класса флавоноидов. Флавоноиды — это небольшие специализированные молекулы, участвующие в метаболизме растений и известные своими противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Но у этого вида дионисии нет порошка флавона на листьях; вместо этого у него очень тонкая «шерсть» толщиной всего 1–2 микрона — намного тоньше человеческого волоса (около 75 микрон).
В рамках сотрудничества между исследовательским институтом наук о растениях Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) и Кембриджским университетским ботаническим садом (CUBG) дионисия была выбрана из живой коллекции Сада (8000 видов культивируемых растений) для анализа в Центре микроскопии SLCU.
Образцы были проанализированы с помощью современных световых и электронных микроскопов. Было обнаружено, что «шерсть» диаметром в микрон имеет отчетливые параллельные бороздки по всей длине. Но самое удивительное — это то, как «шерсть» выходит из листьев.
«Листья покрыты крошечными волосками — трихомами. Каждый трихом имеет сферическую железистую клетку на конце, и мы видели, как нити выходят прямо из этой железистой клетки», — объяснил доктор Рэймонд Уайтмен, руководитель Центра микроскопии SLCU. Однако прокалывание клеточной мембраны и клеточной стенки должно было бы привести к разрыву клетки.
Используя мощный электронный микроскоп в Cambridge Advanced Imaging Centre (CAIC), исследователи сделали срезы железистых клеток и увидели крошечные зазоры в клетках, достаточно большие, чтобы через них могла пройти единственная нить «шерстистого фарина».
«Растение производит волокно внутри клетки, а затем пропускает его через зазоры, которые как раз достаточно широки для этого», — сказал доктор Матьё Бурдон, исследователь SLCU и соавтор статьи в BMC Plant Biology. «Существует отчетливое отверстие в плазматической мембране, клеточной стенке и кутикуле, создающее дыру, которая плотно облегает волокно. Мы наблюдали, как несколько волокон выдавливаются из отдельных железистых клеток в определенных точках на их поверхности».
Доктор Уайтмен также проанализировал химический состав волокон с помощью рамановского микроскопа института. Для дальнейшего анализа с использованием передовой хроматографии, масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии (NMR) потребовались оборудование и экспертиза химического факультета университета.
«Мы ожидали, что волокна будут состоять из флавоноидов, подобных порошковому покрытию на листьях некоторых других видов первоцветных, но нас заинтриговало, как этот вид смог превратить флавоны в такие стабильные, похожие на шерсть волокна», — сказал Уайтмен. «Мы обнаружили, что «шерсть», производимая Dionysia tapetodes, имеет особую химическую структуру — смесь флавона и производных флавона, которые, возможно, используют водородные связи между молекулами для формирования удлиненных волокон. Это означает, что внутри клетки эти флавоны должны быть точно смешаны, добавляясь к концу волокна, чтобы они выходили из зазора одной непрерывной нитью».
Хотя точное назначение «шерстистого фарина» неизвестно, считается, что он может служить защитной мерой, обеспечивая устойчивость к замерзанию, засухе и/или блокируя высокий уровень УФ-излучения. Последняя теория подтверждается наблюдениями за альпийской коллекцией CUBG: сравнивая шерстообразующую Dionysia tapetodes с подвидом, у которого нет «шерстистого фарина», было замечено, что последний более подвержен солнечным ожогам.
Команда заинтересована в дальнейшем изучении свойств этих волокон, чтобы определить, могут ли они быть полезным биоматериалом.