Листья демонстрируют удивительный диапазон форм от плоских листов с простыми очертаниями до чашеобразных ловушек, встречающихся у плотоядных растений.
Общий вопрос биологии развития и эволюции заключается в том, как ткани формируют себя, чтобы создать разнообразие форм, которые мы встречаем в природе, таких как листья, цветы, сердца и крылья.
Изучение листьев привело к прогрессу в понимании механизмов, которые создают более простые и плоские формы. Но до сих пор неясно, что скрывается за более сложными изогнутыми формами листьев плотоядных растений.
Предыдущие исследования с использованием модельного вида Arabidopsis thaliana с плоскими листьями показали существование поля полярности, идущего от основания листа к кончику, своего рода встроенный клеточный компас, который направляет рост.
Чтобы проверить, может ли поле эквивалентной полярности направлять рост сильно искривленных тканей, исследователи проанализировали чашеобразные листовые ловушки водного плотоядного растения Utricularia gibba, широко известного как горбатая пузырчатка.
Команда профессора Энрико Коэна использовала комбинацию трехмерной визуализации, клеточного и клонального анализа и компьютерного моделирования, чтобы понять, как устроены ловушки для плотоядных растений.
Эти подходы показали, как ловушки Utricularia gibba вырастают из почти сферического шарика клеток в зрелую ловушку, способную захватывать добычу.
Измеряя трехмерные снимки ловушек на различных стадиях развития и исследуя вычислительные модели роста, они показали, как связаны разные скорости и направления роста.
Команда использовала флуоресцентные белки для наблюдения за направлением клеточного роста и 3D-визуализацию на разных стадиях развития для изучения изменения формы ловушки.
Вычислительное моделирование, используемое для учета направленного роста, использует поле полярности, сравнимое с полем полярности, предложенным для развития листьев арабидопсиса, за исключением того, что здесь он распространяется внутри изогнутого листа.
Анализ ориентации четырехугольных желез, которые у Utricularia gibba используются для поглощения питательных веществ, подтвердил существование гипотетического поля полярности.
Исследование, опубликованное в журнале PLOS Biology, пришло к выводу, что простая модуляция механизмов, лежащих в основе развития плоского листа, также может объяснить формирование более сложных трехмерных форм.
Один из ведущих авторов Карен Ли сказала: «Поле полярности, определяющее рост листков ткани, может дать единое объяснение развития разнообразных листьев, которые мы встречаем в природе».
Работа финансировалась Европейским исследовательским советом (грант Carnomorph № 323028) и Исследовательским советом по биологическим наукам (гранты № BB/M023117/1, BB/L008920/1, BB/P020747/1 и BBS/ E/J/000PR9787).
Видео - Секрет того, как Utricularia Gibba делает свои ловушки для сосания животных
www.youtube.com/watch?v=4NCFpyk5tGo&feature=youtu.be
Справочная информация
Плотоядные растения с чашеобразными листьями-ловушками растут в местах с недостаточным питанием. Они четыре раза независимо развивались у пузырчаток (Utricularia) и кувшинок (Nepenthes, Cephalotus и Sarracenia) для захвата добычи животных. Utricularia gibba была выбрана для исследования из-за ее небольших ловушек, удобных для визуализации, и небольшого размера генома.
У рода Utricularia (Lentibulariaceae) эпиасцидиальные листья, называемые ловушками, используют всасывание для ловли добычи. Для эффективной работы ловушек требуются хорошо скоординированные механизмы открывания и закрывания.
Utricularia - большой род, насчитывающий около 235 видов с различной формой ловушек, что позволяет провести сравнительный анализ эволюционного развития формы. Модуляция скорости и направления роста в ответ на основное поле полярности - это механизм, который может объяснить диапазон форм ловушек, наблюдаемых у этих видов.
Геном Utricularia gibba является одним из самых маленьких в царстве растений и был полностью секвенирован, что обеспечивает ресурсы для молекулярно-генетических и эволюционных исследований. Дальнейшая работа в лаборатории с использованием Utricularia gibba в качестве модельной системы сосредоточена на изучении того, как формирование листа ткани также зависит от контроля генов, образующих паттерн каждой поверхности.