Что делает клеточные стенки растений одновременно прочными и растяжимыми?
Уникальная способность клеточной стенки растения расширяться без ослабления или разрыва — качество, необходимое для роста растения — обусловлена движением её целлюлозного скелета. Согласно новому исследованию, моделирующему клеточную стенку, цепи целлюлозы объединяются в пучки внутри стенки, обеспечивая прочность, и скользят друг относительно друга при растяжении клетки, обеспечивая растяжимость.
Новое исследование, опубликованное онлайн 14 мая в журнале Science, представляет новую концепцию растительной клеточной стенки, даёт представление о росте растительных клеток и может вдохновить на проектирование полимерных материалов с новыми свойствами.
«Долгое время преобладающей концепцией растительной клеточной стенки был гель, армированный целлюлозными волокнами, где жёсткие целлюлозные стержни действуют как стальная арматура в цементе», — сказал Дэниел Косгров, профессор биологии в Penn State и старший автор статьи. — «Однако мы определили, что цепи целлюлозы вместо этого слипаются, образуя сеть целлюлозных пучков, которая обеспечивает гораздо большую механическую прочность, чем разрозненные стержни, плавающие в геле. И именно цепи целлюлозы, а не другие компоненты, ограничивают расширение клеточной стенки, скользя друг относительно друга, как раздвижная лестница, когда клетка растягивается».
Предыдущие подходы к моделированию растительных клеточных стенок были сосредоточены либо на слишком крупном масштабе, чтобы включить поведение отдельных компонентов клетки, либо на слишком малом — на атомном уровне — чтобы включить фактическую механику стенки. В этом исследовании учёные использовали крупнозернистую компьютерную модель на уровне полимеров, из которых состоит клеточная стенка — цепочек целлюлозы и других молекул сахара, связанных в длинные цепи. Вместо моделирования отдельных атомов исследователи представили целлюлозные микрофибриллы и другие компоненты цепочками шариков, которые ведут себя как липкие пружины, чтобы воспроизвести физические свойства этих компонентов.
«В отличие от многих других моделей, мы также учли тенденцию молекул слипаться, смоделировав нековалентное связывание между ними», — сказал Косгров. — «Это позволило нам исследовать последствия взаимодействий между цепями».
Команда специально смоделировала слои клеточной стенки лука, чтобы сравнить смоделированные значения механических характеристик с экспериментами, проведёнными с реальной кожицей лука. Растягивая клеточные стенки лука несколькими способами и используя молекулярные данные модели, они исследовали структуры, ответственные за уникальные механические характеристики клеточной стенки.
«Клеточные стенки растений уникальны, потому что они должны быть очень прочными, чтобы помогать защищать и поддерживать растение, и очень растяжимыми, потому что они должны расширяться при росте растения», — сказал Яо Чжан, постдокторант в области биологии в Penn State и первый автор статьи. — «Мы обнаружили, что целлюлозные микрофибриллы несут большую часть напряжения и являются ключом к тому, чтобы клеточная стенка сохраняла как прочность, так и растяжимость».
Исследователи определили, что отдельные целлюлозные волокна выравниваются и слипаются друг с другом, образуя сеть пучков. Микрофибриллы в пучке выпрямляются и могут скользить друг относительно друга, в своего рода телескопическом действии, когда клетка растягивается, передавая силы между ними и приводя к удлинению клетки.
«Долгое время исследователи измеряли механические свойства, такие как напряжение и деформация, растительных клеточных стенок и то, как эти свойства меняются в условиях засухи и других условий», — сказал Косгров. — «Но до сих пор нам не хватало молекулярного описания того, что происходит на молекулярном уровне, чтобы понять эти измерения. В этом исследовании мы прояснили роли различных компонентов в растительной клеточной стенке и предоставили количественную основу для интерпретации экспериментов, используемых в исследованиях растений».
Выводы этого исследования могут быть особенно полезны в будущей работе по изучению того, как растения регулируют свойства своих клеточных стенок, что влияет на скорость и направление их роста. Например, молодые стебли быстро удлиняются весной, в то время как многие плоды растут сферически.
Исследователи надеются расширить свою модель для моделирования клеточных стенок других видов растений и расширить её, чтобы охватить всю клетку.
«Наши технологии в настоящее время не могут сравниться со способностью растения создавать такой прочный и растяжимый материал», — сказал Яо. — «Конструкция растительных клеточных стенок может дать вдохновение для проектирования экологичных материалов с различными областями применения».