Растительные полимеры не всегда действуют сообща для создания красивых форм

В растениях клеточная стенка действует как скелет, обеспечивая поддержку и стабильность, и как мышца, проводя воду от земли до самых верхних листьев и ветвей. За транспорт воды отвечает вторичная клеточная стенка, состоящая из ксилемы, которую изучает профессор NAIST Таку Демура.

"Ксилема — важный ресурс биомассы наземных растений. Модификации дифференцировки клеток ксилемы важны для стратегий улучшения ресурсов растительной биомассы", — говорит Демура.

Вторичная клеточная стенка состоит из трёх типов полимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. В новом исследовании, опубликованном в Plant Cell, лаборатория Демуры обнаружила, что эти три полимера в мутантных клетках ксилемы вносят вклад в формирование вторичной клеточной стенки независимо друг от друга, что бросает вызов современной модели роста растений.

Взаимодействия между целлюлозой и гемицеллюлозой критически важны для придания клеточным стенкам прочности и эластичности, чтобы проталкивать воду вверх. Взаимодействие с лигнином добавляет гидрофобность, которая придаёт электрический заряд этому "толчку". Исследования начала 1980-х убедили учёных, что формирование вторичной клеточной стенки происходит в последовательных событиях: начинается с синтеза целлюлозы на поверхности клетки, за которым следует отложение гемицеллюлозы, связывающейся с целлюлозой, и, наконец, миграция и полимеризация лигнина.

Эти взаимодействия приводят к тому, что три полимера образуют очевидную пространственную структуру в клетках ксилемы. Однако клетки ксилемы у мутанта Arabidopsis thaliana (небольшого растения, часто используемого учёными), созданного лабораторией Демуры, показали нарушенный синтез целлюлозы без нарушения пространственной структуры гемицеллюлозы или лигнина.

"Мы создали мутацию в гене целлюлозосинтазы CESA7. Эта мутация предотвратила образование целлюлозы. Несмотря на отсутствие структурированного отложения целлюлозы, мы наблюдали структурированное отложение гемицеллюлозы и лигнина", — объясняет доктор Мисато Отани, участвовавшая в проекте.

Дополнительное исследование показало, что сохранение структуры можно объяснить микротрубочками — молекулами, присутствующими почти во всех формах жизни, включая человека, которые отвечают за транспорт материалов внутри клеток.

"Мы смогли нарушить структуру гемицеллюлозы и лигнина, когда разрушили микротрубочки с помощью препарата. Это говорит о том, что во время формирования вторичной клеточной стенки гемицеллюлоза и лигнин регулируются микротрубочками, а не целлюлозой", — продолжила Отани.

Учитывая растущие усилия по биоинженерии растений, которые могут производить ресурсы с более высокой эффективностью или выдерживать экстремальные изменения климата, Демура отмечает, что выяснение механизмов развития фундаментальных структур растений, таких как вторичная клеточная стенка, поможет учёным достичь этих целей.

"Выявление независимости целлюлозы, гемицеллюлозы и ксилана предполагает, что мы можем модифицировать один из них, не изменяя другие в растениях", — говорит он.