Нанокомпартменты из ксилана поддерживают формирование стенок сосудов и прочность ксилемы

Исследователи под руководством професстора Чжоу Ихуа из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук обнаружили с помощью конфокальной микроскопии сверхвысокого разрешения ранее неизвестные нанокомпартменты из ксилана на границах пор сосудов ксилемы у риса и Arabidopsis.

Все живые организмы способны к самоорганизации в высокоэффективные системы, чья устойчивость поддерживается компартментализацией клеток в специализированные субклеточные структуры. Сахариды — важный класс биомакромолекул, способных к компартментализации. Однако из-за сложностей в изучении сахарных молекул охарактеризовано очень мало структур на их основе. Знания о наноразмерных гликановых компартментах с конкретными функциями весьма скудны.

В растениях более двух третей углекислого газа, фиксируемого в процессе фотосинтеза, превращается в структурные полисахариды для построения клеточных стенок, окружающих каждую клетку, формируя ткани, органы и целые растения. Сосуды ксилемы демонстрируют заметные компартменты клеточной стенки, такие как кольцевые/спиральные узоры (протоксилема) и сетчатые/пористые узоры (метаксилема). Однако оставалось неизвестным, как внеклеточные полисахариды самоорганизуются в нанокомпартменты.

В этом исследовании учёные выяснили, что нанокомпартменты образуются благодаря активности гликозилтрансферазы IRREGULAR XYLEM (IRX)10 и пяти её гомологов из семейства GT47. Рисовый IRX10, основной участник синтеза ксилана в сосудах, способен опосредовать удлинение цепи ксилана и инициировать образование ксилоолигомеров без акцептора, что указывает на механизм de novo синтеза.

Кроме того, атомно-силовая микроскопия показала наноразмерный рельеф стенки вокруг границ пор, поддерживаемый нанокластерами ксилана. Неожиданно оказалось, что нарушение наноструктуры ксилана приводит к образованию аномальных и слившихся пор с неправильно упакованными целлюлозными нановолокнами, что формирует сетчатые узоры и снижает прочность сосудов.

Исследовав размер пор сосудов и признаки роста у 42 ключевых сортов риса, учёные обнаружили корреляцию между размером пор и агрономическими признаками, такими как высота растения.

Таким образом, с помощью нескольких передовых методов исследователи описали механизм того, как синтезируется ксилан, как он собирается в нанокомпартменты и как эти компартменты поддерживают формирование пор в клеточной стенке для обеспечения эффективной транспортировки воды по всему растению.

Ксилановые наноструктуры на границе пор аналогичны обмёточному краю петли для пуговицы, предотвращающему распускание нити; их роль — поддерживать целостность клеточной стенки. Это углубляет понимание формирования клеточной стенки, которое ранее основывалось на цитозольной перспективе. Ожидается открытие и других удивительных наноструктур на основе полисахаридов. Более того, открытие синтазы ксилана de novo открывает новые пути для целенаправленного управления этим полимером.

В целом, это исследование заполняет пробел в знаниях между синтезом полисахаридов и их функциональными структурами, заставляя переосмыслить различные физиологические процессы у растений и предоставляя новые перспективы для точного конструирования сельскохозяйственных культур.

Работа была опубликована в журнале Nature Plants 22 марта.