Воссоздание развития в чашке Петри для понимания жизни растений
Растения обладают чрезвычайно высокой способностью адаптироваться к окружающей среде. Ассоциированный профессор Юки Кондо из Высшей школы науки Университета Кобе сосредоточил свои исследования на сосудистых пучках, которые необходимы для адаптации к среде.
Сосудистые пучки выполняют множество функций: транспорт воды и питательных веществ, поддержка тела растения и передача электрических сигналов. Они образуются из сосудистых стволовых клеток. Цель исследования — выяснить, как определяется судьба разнообразных клеток, составляющих эти пучки, с помощью собственной методики культивирования.
Сосудистые пучки состоят из различных клеток:
- Сосуды (трахеи) — транспортируют воду и минералы от корней к листьям и побегам.
- Ситовидные трубки — переносят сахара и гормоны, произведенные в процессе фотосинтеза.
- Волокна — обеспечивают механическую поддержку.
- Другие клетки, отвечающие за погрузку и выгрузку веществ.
Судьба этих клеток разветвляется от плюрипотентных сосудистых стволовых клеток. Механизмы их дифференцировки и функционирования во многом неясны.
Метод VISUAL: перепрограммирование клеток листа
Для изучения этого процесса был разработан метод VISUAL (Vascular cell Induction Culture System Using Arabidopsis Leaves). Он позволяет превращать клетки листьев Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) в клетки ситовидных трубок и сосудов.
Как это работает:
- Котледоны (семядоли) Arabidopsis thaliana культивируют в чашке Петри около четырех дней.
- В среду добавляют растительные гормоны ауксин и цитокинин, а также соединение бикинин.
- Клетки мезофилла (основной ткани листа) меняют свою судьбу и в большом количестве превращаются в клетки ситовидных трубок и сосудов.
- Хлоропласты в листьях постепенно разрушаются.
Метод VISUAL, по-видимому, позволяет «перепрограммировать» клетки листа, превращая их в стволовые клетки с потенциалом к дифференцировке, которые затем быстро развиваются в клетки сосудистых пучков.
Направления исследований и вклад в ЦУР
Модифицируя условия культивирования VISUAL (концентрацию гормонов, возраст листьев), удается получать целевые типы клеток. Например, была успешно индуцирована дифференцировка в клетки-спутницы ситовидных трубок, которые поддерживают их жизнедеятельность.
Исследования Кондо также связаны с Целями устойчивого развития (SDGs):
- Энергетика и изменение климата: Совместно с инженерным факультетом Университета Кобе ведется работа по созданию растительных клеток, из которых можно было бы эффективно извлекать целлюлозу для производства биоэтанола. Цель — с помощью VISUAL и методов генной инженерии создать клетки, из которых легче удалять ненужные компоненты, что снизит энергозатраты на переработку древесины.
- Эффективность исследований: VISUAL позволяет за несколько недель индуцировать и анализировать клетки деревьев (например, гинкго), на выращивание которых в природе уходят годы. Это ускоряет и повышает эффективность исследований.
Последние исследования показывают, что среда, питательные вещества (например, сахароза) влияют на развитие сосудистых стволовых клеток. Понимание этих механизмов, лежащих в основе удивительной выживаемости растений, является главной целью работы Юки Кондо.