Исследование проливает свет на рост растительных клеток

Исследование ученых-растениеводов из Университета Пердью и инженеров из Университета Небраски-Линкольна углубляет понимание того, как растения контролируют свою форму и развитие на клеточном уровне.

Их выводы могут помочь в создании лучших хлопковых волокон, улучшении защиты растений от насекомых, изменении архитектуры растений и усилении реакции корней на засуху.

Используя комбинацию экспериментальных данных живых растительных клеток и компьютерного моделирования, команда получила новые данные о том, как цитоскелеты растений — сложные сети белковых волокон и трубочек внутри клеток — взаимодействуют для создания сложных клеточных форм.

В отличие от клеток млекопитающих, растительные клетки жесткие, ограниченные толстой стенкой из волокон с прочностью на растяжение стали. Две внутриклеточные системы волокон контролируют форму растительной клетки: цитоскелет микротрубочек и актиновый цитоскелет. Белковый комплекс движется по микротрубочкам, оставляя после себя волокна, которые формируют узор в клеточной стенке. Эти волокна действуют как обручи на бочке, удерживая клетку в цилиндрической форме по мере ее расширения.

Исследователи обнаружили, что актиновые волокна пронизывают клетку, образуя сеть «магистралей» для транспортировки дополнительных материалов для клеточной стенки. Белковый комплекс ARP2/3 контролирует производство и распределение актина в клетке и направляет движение по этим магистралям. Он также формирует актиновую сеть, которая может влиять на поведение и организацию остальной части клетки.

Двухцветная визуализация живых клеток показала, что движение по актиновой сети идет в двух направлениях — к кончику и к основанию. Новый материал доставляется через эту сеть для поддержания синтеза новой стенки во время роста клетки.

Инженеры использовали измерения клеток для создания вычислительной модели тонкостенной клетки под давлением, которую можно разделить на секторы с разными механическими свойствами. Эта модель, первая включающая волокна стенки, отражала огромное внутреннее давление растительной клетки — 90 фунтов на квадратный дюйм (около 6.2 атмосферы).

Модель сделала ряд предсказаний о свойствах клеточной стенки, которые затем были подтверждены на живых клетках.

• Актин позволяет клеточной стенке поддерживать градиент толщины — толще у основания и тоньше на кончике — по мере роста.
• Актин также позволяет конусообразному кончику клетки изменяться по фиксированной схеме, создавая высокоспециализированную форму, эффективную для защиты от насекомых.
• Форма устанавливается рано в развитии клетки и остается неизменной по мере ее расширения.

Понимание клеточной формы также можно использовать для моделирования роста и развития органов, контролируя геометрию и скорость роста групп клеток.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Plants 2 марта.