Случайность выявляет скрытый порядок в мире растений
Согласно новому исследованию Корнеллского университета, в сложной архитектуре растительных тканей красота часто рождается из хаоса. Результаты показывают, как случайность и рост вместе создают поразительные клеточные узоры, формирующие органы растений — и, возможно, всю многоклеточную жизнь.
Исследование, опубликованное в PLOS Biology, возглавила Франсес К. Кларк, докторант из лаборатории Адриенн Родер, профессора секции биологии растений в Школе интегративных наук о растениях Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни, а также профессора Института клеточной и молекулярной биологии Вейлла.
Команда обнаружила, что один и тот же генетический путь, который производит "гигантские" клетки в защитном слое, покрывающем цветки Arabidopsis, также определяет мозаику размеров клеток в листьях. Это говорит о том, что общая логика развития — частично случайность, частично самоорганизация — лежит в основе того, как растительные клетки располагаются в пространстве.
Как гигантские клетки создают узоры на листьях
Под микроскопом поверхность листа выглядит как мозаика неправильных форм — одни большие, другие маленькие. Среди них — взаимосвязанные защитные палисадные клетки, некоторые из которых в среднем как минимум в шесть раз больше по площади, чем их соседи. Эти "гигантские" клетки возникают, когда ДНК многократно реплицируется без деления — процесс, называемый эндоредупликацией.
Кларк и её коллеги задались вопросом, появляются ли эти гигантские клетки случайно или следуют скрытому паттерну. Используя высокоточную визуализацию и компьютерное моделирование, они обнаружили, что клетки изначально распределены случайным образом, но формируют кластеризованные структуры по мере роста и расширения тканей.
На ранних стадиях команда наблюдала, что по мере образования новых клеток гигантские клетки возникают спорадически, запускаемые случайными колебаниями в активности определённых генов. Когда окружающие клетки делятся, геометрия ткани меняется, превращая случайное распределение в кажущийся структурированным узор. Порядок, как выяснила команда, возникает не из-за коммуникации между клетками, а из-за комбинированного эффекта роста и случайности.
"Это как разбрасывать семена", — сказала Кларк. — "Вы начинаете со случайности, но по мере роста сада закономерности появляются естественным образом".
Генетический путь, определяющий размер клеток
Исследователи идентифицировали в общей сложности четыре гена — ACR4, ATML1, DEK1 и LGO — которые работают вместе, определяя, когда и где клетки становятся гигантскими. Они обнаружили, что увеличение экспрессии LGO приводило к появлению большего числа гигантских клеток, а усиление ATML1 или LGO увеличивало площадь, которую они покрывали. В листьях гигантские клетки появлялись на обеих поверхностях; в чашелистиках растений они формировались только на нижней стороне, что показывает, как один и тот же путь может давать разные результаты в зависимости от контекста ткани.
Чтобы проверить, как случайность порождает порядок, команда сотрудничала с Готье Вайсбартом и Пау Формозой-Йорданом из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне (Германия). Расширенная команда экспериментировала с рандомизацией ткани, создав компьютерную модель, в которой судьба каждой клетки определялась независимо колебаниями уровня ATML1 без какой-либо межклеточной коммуникации.
Модель успешно воссоздала кластеризованные паттерны, наблюдаемые в реальных тканях. В сочетании с данными визуализации живых клеток симуляции показали, что простое деление клеток может превратить случайное начало в структурированный результат. "Порядок возникает из случайности — не вопреки ей, а благодаря ей", — сказала Родер.
Более широкие последствия для биологии и дизайна
Большинство биологических систем паттернообразования — от полос у животных до волосков у растений — зависят от сигнализации клеток своим соседям, сказала Кларк. "Однако сам рост может быть организующей силой", — добавила она. — "По мере расширения тканей даже случайные клеточные события могут генерировать воспроизводимые паттерны".
Помимо растений, результаты подчеркивают более широкий принцип: случайная экспрессия генов, механические силы и динамика роста могут взаимодействовать, чтобы производить надёжную форму и функцию. Исследование предлагает основу для изучения других систем, где размер клеток или содержание ДНК влияют на развитие, например, рост плодов или формирование семян.
"Во многих системах специализированные клетки формируются через тщательное распределение", — сказала Родер. — "Например, клетки волосков растений и замыкающие клетки вокруг дыхательных устьиц равномерно разделены, чтобы не соприкасаться. Гигантские клетки — другие, и их спецификация начинается случайно".
Понимание того, как клетки самоорганизуются без прямой коммуникации, может вдохновить на новые стратегии для инженерии растительных тканей или проектирования синтетических биологических систем, которые достигают сложных структур с минимальной координацией.
"Случайность — не противоположность порядку", — сказала Родер. — "Это одна из сил, которая вместе с ростом создает сложные и функциональные паттерны, которые мы видим в природе".