Как клетки листьев самоорганизуются для эффективного фотосинтеза
Международная команда учёных под руководством доктора Эмануэле Скаччи и профессора Марьи Тиммерманс из Центра молекулярной биологии растений Тюбингенского университета обнаружила генетические механизмы, контролирующие рост листьев в плоскую структуру, оптимальную для захвата солнечного света.
Ключевую роль играет система, подобная встроенному GPS, которая информирует каждую клетку о её относительном положении в растущем листе. Этот порядок соответствует биологической концепции самоорганизации, предсказанной математиком Аланом Тьюрингом. Исследование опубликовано в журнале Nature Plants.
Основа паттерна — полярность
Основой формирования плоской структуры является полярность — способность клеток различать верхнюю и нижнюю сторону листа. Она создаётся градиентом концентрации морфогена.
Команда обнаружила, что решающую роль в контроле роста играют малые РНК. Они действуют как мобильные посредники для коммуникации между клетками, помогая им воспринимать своё относительное положение. Кроме того, малые РНК передают информацию, координирующую, какие гены нужно активировать или подавить на верхней и нижней стороне для придания листу правильной формы и функции.
«Этот регуляторный механизм работает в растущем листе автономно, без центрального контроля со стороны растения», — отмечает Тиммерманс.
Самоорганизация по Тьюрингу
Учёные заметили, что их результаты соответствуют теории, которую Алан Тьюринг выдвинул более семи десятилетий назад. Он предположил, что простые взаимодействия между молекулами в клетках живых существ могут приводить к формированию сложных паттернов.
«Наше новое исследование опирается на эту теорию. Мы обнаружили механизм, контролируемый малыми РНК, который соответствует концепции Тьюринга о формировании паттернов через самоорганизацию», — говорит Тиммерманс.
В данном случае самоорганизация относится к генетически контролируемому поведению клеток, которые, подобно стае птиц, формируют коллективное поведение для создания правильного паттерна и плоской структуры листа.
Адаптируемая система
«Малые РНК в клетках растущего листа запускают генетический процесс, который позволяет клеткам воспринимать и интерпретировать своё окружение», — объясняет Скаччи. Активность генов координируется между клетками так, что каждый лист чётко делится на верхнюю и нижнюю часть, формируя идеально плоское «полотно» для фотосинтеза.
Такой самоорганизующийся механизм Тьюринга может адаптировать активность генов к внутренним и внешним возмущениям во время развития листа. Это обеспечивает единообразие формы листа даже при drastic changes в окружающей среде.
Кроме того, эта генетическая система предлагает множество возможностей для тонкой настройки. Это объясняет разнообразие форм листьев в природе — от простого усика вьющегося растения до сложного кувшина некоторых насекомоядных растений.
«Мы расшифровали базовые механизмы, с помощью которых малые РНК обеспечивают самоорганизующиеся генетические процессы. Теперь мы можем исследовать, как человек может модифицировать и использовать эти биологические функции. В условиях растущего мирового спроса на продовольствие нам необходимы оптимизированные сельскохозяйственные культуры с высокой урожайностью, устойчивые к таким стрессовым факторам, как глобальное потепление», — заключает Тиммерманс.