Учёные уточнили уравнения механической жёсткости для клеточных стенок растений на основе теории упругих оболочек

Учёные из Научно-технологического института Нары (NAIST) использовали теорию упругих оболочек, чтобы описать, как жёсткость клеточных стенок растений зависит от их упругости и внутреннего тургорного давления. С помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) в сочетании с компьютерным моделированием методом конечных элементов они показали, что жёсткость клетки очень чувствительна к внутреннему тургорному давлению.

Помимо клеточной мембраны, сходной с животной, растительные клетки имеют жёсткую клеточную стенку, обеспечивающую структурную целостность. Тургор — нормальная жёсткость клеток из-за давления их содержимого — также критически важен для поддержания баланса со средой. Однако результирующие механические свойства растительных клеток оставались неясными. Например, использование только АСМ для определения жёсткости по деформации клеточной стенки затрудняет разделение вкладов натяжения стенки, геометрии клетки и тургорного давления.

Команда использовала моделирование методом конечных элементов (МКЭ) для проверки новой формулы, основанной на теории упругих оболочек. Это позволило интерпретировать кажущуюся жёсткость, наблюдаемую с помощью АСМ. Исследователи изучали эпидермальные клетки лука — модельную систему для понимания физических свойств растительных клеток.

На основе моделирования МКЭ было показано, что уравнение теории упругих оболочек лучше описывает отклик клеток лука на АСМ по сравнению с традиционной моделью для объектов без внутреннего тургорного давления. Более того, их результаты показывают, что натяжение, вызванное тургорным давлением, регулирует жёсткость клетки, которая может изменяться при небольших изменениях давления — порядка 0,1 мегапаскаля.

Эта работа помогает обобщить наше понимание жёсткости живых систем. Эти знания можно применять, чтобы помочь растениям сохранять свою структуру даже в стрессовых ситуациях, например, в периоды нехватки воды.

Исследование опубликовано в Scientific Reports.