Учёные открыли ключевой механизм, регулирующий форму и рост растений

Исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) обнаружили ключевой механизм, который, подобно прорабу на стройке, контролирует направление роста растений, а также физические свойства производимых ими биополимеров.

Это открытие — важная подсказка в 50-летнем поиске объяснения того, как растения координируют поведение миллионов клеток, когда они растут вверх, конкурируя за свет, проникают в почву за питательными веществами и водой или раскрывают лепестки.

"Мы десятилетиями знали, что структуры в растениях, называемые микротрубочками, действуют как каркас, определяющий направление расширения клеток", — говорит профессор Джеффри Вастенейс, ботаник UBC и канадский исследовательский председатель в области биологии растительных клеток.

"Это крошечные многофункциональные цилиндры, которые растут, сжимаются и самоорганизуются для транспортировки грузов, захвата и позиционирования крупных структур, таких как хромосомы, и установления формы клеток. Но мы не могли определить, как эти крошечные микротрубочки сначала организуются в каркасы".

Междисциплинарная команда биологов и математиков под руководством Вастенейса обнаружила, что присущая клетке геометрия сама играет важную роль в самоорганизации микротрубочек в параллельные массивы, направляющие рост и деление клеток. Они также выявили, что белок CLASP играет ключевую роль "прораба", модулируя геометрические ограничения клетки.

Их результаты будут опубликованы 16 августа в журнале Nature Communications.

Команда использовала специализированный микроскоп, собирающий 3D-изображения компонентов растений, генетически модифицированных для флуоресценции при облучении специально отфильтрованным светом. Они наблюдали разительное отличие в организации микротрубочек у нормальных растений по сравнению с мутантом-карликом, который не производит CLASP.

"Парадоксально, но микротрубочки казались лучше организованными у сильно отстающих в росте мутантных растений, чем у немутантных", — говорит Крис Амброуз, постдок в лаборатории Вастенейса, чьи наблюдения привели к открытию. — "Изучая поведение микротрубочек на острых гранях между смежными сторонами клетки, мы заметили, что у мутанта микротрубочки дорастали до грани, а затем подвергались катастрофическому разбору. В немутантных растениях, содержащих белок CLASP, микротрубочки легко изгибались на 90 градусов и продолжали расти на смежной стороне клетки при встрече с гранью".

Затем Амброуз и Вастенейс объединились с математиками UBC Эриком Цитринбаумом и Джуном Аллардом для запуска трёхмерных компьютерных симуляций, чтобы проверить идеи, возникшие при визуализации живых растительных клеток.

Исследователи обнаружили, что симуляции, которые обычно занимают около дня на суперкомпьютере, близко воспроизводили паттерны микротрубочек, наблюдаемые в живых клетках.

"Симуляция за симуляцией показывала нам, что микротрубочки формируют параллельные массивы в тех же паттернах, что и в живых клетках", — говорит Аллард, ныне постдок в Калифорнийском университете в Дэвисе. — "Мы подтвердили, что самоорганизация зависит от внешних сигналов клеточной геометрии и что присутствие белка CLASP вдоль выбранных граней резко меняет паттерн".

Это открытие также может быть актуально для растущего интереса к биологии стволовых клеток в биомедицинских исследованиях.

"Микротрубочки и белок CLASP общи для всех типов клеток растений, животных, грибов и многих одноклеточных организмов", — говорит Вастенейс. — "Так что то, что мы узнаём об их поведении в растительных клетках, актуально для понимания их функции в таких разных типах клеток, как нейроны и болезнетворные простейшие".