Механические свойства новых клеточных стенок растений отличаются от родительских
Учёные выяснили, что новые клеточные стенки растений могут иметь существенно иные механические свойства по сравнению с окружающими родительскими стенками. Это позволяет клеткам менять локальную форму и влиять на рост органов растения.
Впервые удалось связать механику с «возрастом» клеточной стенки благодаря новому методу, отслеживающему одни и те же клетки во времени и через последовательные циклы деления.
Исследователи из Кембриджа смогли наблюдать формирование новых стенок и измерять их механические свойства. Эта новаторская работа показала, что новые клеточные стенки у некоторых растений в 1.5 раза жёстче окружающих родительских стенок — неожиданное и удивительное открытие.
Междисциплинарное исследование
Исследование, проведённое на двух эволюционно далёких видах растений в Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU), даёт новые доказательства того, что локальное клеточное деление активно участвует в контроле размера органа. В междисциплинарном проекте объединились три группы SLCU (Robinson Group, Schornack Group, Jönsson Group) и команда микроскопии, использовав экспертизу в экспериментальной биомеханике, генетике, визуализации и компьютерном моделировании.
Комбинируя передовую живую микроскопию отдельных клеток, методы характеризации материалов и математическое моделирование, группа Сары Робинсон показала, что процесс деления локально меняет механические свойства растущей ткани, что потенциально влияет на конечную форму и размер органа растения. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Новый метод: отслеживание во времени
Растительные клетки, в отличие от животных, заключены в жёсткую оболочку — клеточную стенку. Деление включает добавление новых стенок, что меняет механическое напряжение в клетке, её геометрию и свойства окружающей ткани.
Раньше учёные могли исследовать механические свойства отдельных стенок, но не знали их возраста. Первый автор статьи, Алессандра Бонфанти, разработала протокол, сочетающий наблюдение во времени с измерениями на атомно-силовом микроскопе (AFM). Это позволило систематически картировать возраст, рост и жёсткость отдельных стенок и отслеживать их через несколько циклов деления.
«Мы знали, что клеточная стенка — высокодинамичный материал. Новый материал добавляется при делении, а механические свойства модулируются во время роста. Но как свойства новых стенок меняются в пространстве и времени, было неизвестно, пока мы не разработали новый протокол», — сказала д-р Бонфанти.
Сравнение двух видов растений
Исследование проводилось на двух системах:
- Выводковые почки (gemmae) печёночника Marchantia polymorpha
- Ранние первые настоящие листья Arabidopsis thaliana
Клетки молодых тканей обоих видов изначально имеют схожую квадратную геометрию, что сделало их хорошими моделями для сравнения.
Ключевой результат: Деление в M. polymorpha приводит к образованию временно более жёсткой и медленно растущей новой стенки. В A. thaliana это временное явление отсутствует. Новые стенки M. polymorpha становились в 1.5 раза жёстче родительских.
Значение открытия
«Мы показали, что есть значимые различия в жёсткости новых и родительских стенок, и эти различия влияют на геометрию и рост клетки. Это говорит о том, что деление и его меняющиеся механические свойства изменяют скорость расширения ткани и могут влиять на конечный размер органа», — сказала руководитель группы д-р Робинсон.
Последствия:
- Более жёсткие новые стенки ограничивают рост органа, препятствуя росту и влияя на форму составляющих клеток.
- Клетки M. polymorpha быстрее меняют геометрию, формируя углы в 120° и приближаясь к гексагональной форме (считающейся наиболее эффективной для покрытия площади).
- Компьютерное моделирование, выполненное Юаном Смитерсом и Россом Картером, подтвердило, что наличие жёсткой новой стенки ускоряет формирование углов в 120°.
Это открытие ставит новые вопросы: всегда ли это так, при каких условиях и почему?