Клетки цветочного органа принимают случайные решения, определяющие размер

Чашелистики растения Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) характеризуются внешним слоем клеток, размеры которых сильно варьируются и распределены в столь же разнообразных пропорциях и паттернах.

Учёные давно задавались вопросом, как растение регулирует деление клеток для создания этих паттернов — иными словами, как оно решает, какие и сколько клеток будут большими, какие чуть меньше, а какие очень маленькими.

Объединив покадровую съёмку и компьютерное моделирование, команда учёных под руководством биологов из Калифорнийского технологического института (Caltech) дала несколько неожиданный ответ на этот вопрос.

«Мы пришли к выводу, что вероятностные решения отдельных клеток — а не механизмы на уровне всего органа — могут производить характерный и устойчивый паттерн размеров клеток в процессе развития», — говорит Эллиот Мейеровиц, профессор биологии и глава отделения биологии в Caltech.

Результаты опубликованы 11 мая в онлайн-журнале PLoS Biology.

Чашелистики — это небольшие зелёные листоподобные органы, которые окружают лепестки цветка, защищая его до распускания. Эпидермис (внешний слой) чашелистика Arabidopsis состоит из клеток сильно различающихся размеров — от очень маленьких до очень больших. Самые крупные клетки, встречающиеся только в чашелистиках, названы «гигантскими клетками».

Каждый из четырёх чашелистиков, окружающих цветок Arabidopsis, имеет уникальный паттерн размеров клеток. Команда хотела выяснить, что определяет этот паттерн.

Чтобы понять процесс, Мейеровиц и постдок Адриенн Родер снимали развитие чашелистиков на ранних стадиях. Они отслеживали каждый раунд деления клеток, чтобы определить, как создаются разные размеры и что влияет на распределение. Затем они работали с постдоком Виджаем Чикармане, который создал компьютерную модель для проверки гипотез команды о формировании наблюдаемого паттерна.

Сначала компьютерная модель не могла воспроизвести паттерны, найденные в реальных чашелистиках. Команда корректировала модель, пока она независимо не стала производить тот же диапазон размеров клеток, который наблюдался в живом органе.

Оказалось, что чашелистик генерирует паттерн размеров клеток эпидермиса не с помощью механизма контроля на уровне всего органа, а на основе того, когда или будет ли каждая отдельная клетка делиться, и от длины её клеточного цикла. Такой случайный, вероятностный процесс развития приводит к паттернам, которые различаются не только от цветка к цветку, но и между чашелистиками одного цветка.

«Это так противоречит нашему обычному мышлению, — говорит Родер, — когда мы предполагаем, что всегда есть что-то, диктующее каждой клетке, что именно ей делать».

Клетки чашелистика могут проходить один из двух циклов роста:

1. Нормальное деление клетки — клетка дублирует хромосомы и делится на две меньшие.
2. Специализированный цикл — эндоредупликация — клетка дублирует хромосомы, но не делится; вместо этого она продолжает расти, становясь всё крупнее.

Исходная гипотеза команды заключалась в том, что чем раньше клетка решает начать эндоредупликацию, тем дольше она будет расти и тем крупнее станет.

• Чтобы стать гигантской клеткой, клетке, как правило, нужно начать эндоредупликацию в течение своего первого клеточного цикла.
• Если она подождёт один или два цикла, у неё будет меньше времени на рост, и она станет клеткой чуть меньшего размера.
• Клетки, которые никогда не эндоредуплицируются (продолжают делиться каждый цикл), будут среди самых маленьких в чашелистике.

«Каждая клетка начинает с шанса стать гигантской, — говорит Родер. — Это вероятностный процесс; у каждой клетки есть определённая вероятность принять такое решение. Однако, как только решение принято, её судьба определена».

Но эндоредупликация — не единственный фактор, определяющий итоговый размер клетки. Клетка, которая рано начала эндоредупликацию, может вырасти в ещё более крупного гиганта, если её клеточные циклы длиннее среднего, что даёт ей больше времени на рост.

Чтобы доказать это, команда провела эксперименты, изменяя уровни ингибиторов клеточного цикла в клетках чашелистика. Когда они снижали уровень ингибитора (увеличивая частоту деления клетки и сокращая длину клеточного цикла), клетки чашелистика не могли вырасти в гигантские клетки.

«Эти результаты подтверждают нашу гипотезу, — говорит Родер. — И когда вы меняете параметры в компьютерной модели, как если бы снижали уровень ингибитора клеточного цикла, модель показывает тот же паттерн».

Понимание того, как именно клетки чашелистика решают, расти ли им большими или маленькими, может в будущем привести к практическим применениям. Например, полезность различных культур в качестве биотоплива зависит от содержания в них целлюлозы. Чашелистик с большим количеством гигантских клеток имеет гораздо меньшую площадь поверхности клеточных стенок, чем чашелистик с множеством мелких клеток. Поскольку целлюлоза находится в клеточной стенке, чашелистики с гигантскими клетками были бы менее полезны для производства биотоплива.

«Эта работа даёт нам представление о том, как происходит рост у этих растений, — говорит Родер. — И как только мы лучше поймём рост и деление клеток растений, мы сможем лучше ими управлять».