Открытие расширяющихся пектиновых нанонитей, управляющих формой растительных клеток

Учёные обнаружили новые нитевидные структуры в клеточных стенках растений, которые влияют на рост клеток и помогают строить сложные трёхмерные формы.

Комбинируя два типа высокопроизводительных микроскопов, исследователи выявили пектиновые нанонити, выстроенные в колонны вдоль края клеточных стенок растений. Эти нити, которые в 1000 раз тоньше человеческого волоса, ранее синтезировались только в лаборатории, но никогда не наблюдались в природе.

Это открытие структуры клеточной стенки имеет решающее значение для понимания того, как растения формируют свои сложные формы. Оно поможет лучше понять иммунитет растений и их адаптацию к изменяющейся среде, а также может вдохновить на будущую разработку биотоплива, усовершенствование сельского хозяйства и создание умных саморасширяющихся материалов.

Текущее «учебное» представление о формировании необычных волнистых клеток заключается в том, что внутреннее давление в клетке (тургор) давит на жёсткую клеточную стенку, определяя её окончательную форму. Более слабые части стенки расширяются сильнее.

Опубликованное в журнале Science исследование впервые показывает наличие структур пектиновых нанонитей. Учёные не только обнаружили эти новые структуры, но и продемонстрировали, что они активно определяют форму клетки — и даже её рост — независимо от внутреннего давления.

До этого открытия пектин считался неорганизованным гелеобразным наполнителем, находящимся между длинными целлюлозными волокнами в клеточной стенке. Чтобы преодолеть ограничения биохимического анализа и обычной флуоресцентной микроскопии (разрешение 200 нм), команда использовала два типа передовой микроскопии: dSTORM и криоСЭМ (сканирующая электронная микроскопия при очень низкой температуре).

• КриоСЭМ, разработанный в Sainsbury Laboratory Кембриджского университета, зафиксировал самые первые изображения этих пектиновых нитей.
• dSTORM с разрешением 20–40 нм подтвердил, что наблюдаемые структуры являются именно пектином.

Вместе эти микроскопы показали, что пектины не образуют «желе», а создают хорошо организованную наномасштабную колоннаду (последовательность колонн) вдоль края клеточной стенки.

Исследуя клетки листьев Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля), учёные обнаружили, что один тип химического изменения (удаление метильной группы) в пектиновой нанонити вызывает набухание и радиальное расширение нитей примерно на 40%. Это набухание приводит к изгибу (buckling) клеточной стенки, что, в свою очередь, инициирует рост и формирование необычных волнистых клеток.

Это связано с изменением упаковки полимеров пектина внутри нанонити из компактной в рыхлую решётку. Такое саморасширение компонентов клеточной стенки, наряду с их локальной ориентацией, может управлять возникновением сложных форм. Компьютерное моделирование показало, что даже небольшого изменения размера, сопровождающего модификацию нанонити, достаточно для создания формы клетки-пазла. Более того, для этих изменений формы не требовалась сила тургора внутри смоделированных клеток.

Дальнейшие исследования потребуются, чтобы определить, какой вклад в определение формы клетки вносят тургорное давление и целлюлоза в клеточной стенке. Команда полагает, что тургорное давление и целлюлозные волокна, вероятно, работают вместе с пектиновыми нанонитями, помогая поддерживать форму.

Используя сонификацию данных («озвучивание формы клеток»), команда также обнаружила, что волнистый край клеток эпидермиса растений очень упорядочен. Их формы организованы в волны, подобные тем, что производятся музыкальным инструментом.

Авторы заключают, что сходные функции саморасширения нитей могут присутствовать и в других царствах. Другие полисахариды внеклеточного матрикса, такие как каррагинан красных водорослей, альгинат бурых водорослей или даже гиалуроновая кислота у животных, могут играть аналогичную роль.