Как физические силы формируют сложные 3D-формы растений изнутри
Исследование биологов и биофизиков из Университета Монреаля (Université de Montréal) раскрывает, как растения строят свои органы в трёх измерениях. Учёные впервые успешно реконструировали физические свойства клеток, расположенных глубоко внутри растительного органа, на основе экспериментальных данных.
Объектом изучения стали пыльники — мужские репродуктивные органы цветков, ответственные за производство и высвобождение пыльцы. Исследователи под руководством доцентов Даниэля Кержковски и Анн-Лиз Рутье-Кержковской отследили рост каждой клетки пыльника в течение нескольких дней, показав, как он развивается из простой группы стволовых клеток в сложную 3D-структуру.
Механические силы в действии
Растения состоят из клеток, окружённых жёсткими клеточными стенками и организованных в тканевые слои. Традиционно считалось, что внешний слой — эпидермис — активно контролирует рост и развитие.
Однако новое исследование бросает вызов этой точке зрения. Используя передовые методы визуализации, учёные количественно оценили клеточный рост во всех тканевых слоях целого сложного органа в 3D. Они обнаружили, что клетки внутренней ткани растут гораздо быстрее эпидермиса, формируя молодой орган изнутри наружу.
«Наши данные показывают, что локализованное, более быстрое расширение внутренних клеток стимулирует вырост пыльников, активно выталкивая их наружу и растягивая окружающий эпидермис», — пояснил молекулярный биолог Даниэль Кержковски.
«Механическая сила, создаваемая внутренними тканями, меняет паттерны роста эпидермиса и модифицирует форму его клеток. Это пример клеточной координации между тканевыми слоями посредством физических сил», — добавила биофизик Анн-Лиз Рутье-Кержковская.
Значение и перспективы
Работа подчёркивает важность внутренних тканей в морфогенезе — аспекте, который часто упускают из-за технических сложностей количественной оценки роста и механических свойств под эпидермисом.
«Наша работа поощряет пересмотр других растительных органов и животных систем, где внутренние ткани могут играть схожую роль», — сказал Кержковски.
Исследование также показывает, что анатомия — то, как клетки сформированы и расположены — является ключевым фактором, определяющим потенциал роста каждого тканевого слоя органа. Разные потенциалы роста приводят к механическим взаимодействиям, которые, в свою очередь, формируют весь орган и отдельные клетки внутри тканей.
В будущем команда планирует изучить, как растения создают сложные движения (например, вращение усиков или «ввинчивание» корней в почву) с помощью механических взаимодействий между тканями. Эта работа может вдохновить на проектирование умных материалов и мягких роботов.