Ученые обнаружили новые нитевидные структуры в стенках клеток растений, которые влияют на рост клеток и помогают строить сложные трехмерные формы клеток.
Сочетая два типа высокопроизводительных микроскопов, исследователи определили пектиновые нанонити, выровненные в столбцы вдоль края клеточных стенок растений. Нити, которые в 1000 раз тоньше человеческого волоса, когда-либо были синтезированы только в лаборатории, но до сих пор никогда не наблюдались в природе.
Эти открытия о структуре клеточной стенки имеют решающее значение для понимания того, как растения формируют свои сложные формы, и помогут лучше понять иммунитет растений и адаптацию к изменяющимся условиям и, возможно, вдохновят будущее развитие биотоплива, сельского хозяйства и даже умного строительства., саморасширяющиеся материалы.
Это может выглядеть как однородная зеленая поверхность, но поместите типичный лист под микроскоп, и вы обнаружите замысловатое лоскутное одеяло из клеток неправильной формы, идеально подогнанных друг к другу, как головоломка. Каждая из этих клеток на поверхности листа, называемая клетками мостовой, имеет свою уникальную форму и продолжает расширяться и изменять форму по мере роста листа.
Текущий «учебник», размышляющий о том, как формируются эти необычные клетки волнистой формы, заключается в том, что внутреннее давление внутри клетки (тургор) давит на жесткую клеточную стенку, окружающую каждую клетку, чтобы определить ее окончательную форму. Более слабые части стенки расширяются еще больше, подобно тому, как давление воздуха заставляет более слабые участки воздушного шара расширяться сильнее.
Опубликовано сегодня в журнале Science, исследователи из Французского национального исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды (INRAE) вместе с учеными из Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института / Медицинского института Говарда Хьюза первыми продемонстрировали присутствие структуры пектиновых нанофиламентов. Они не только открыли эти новые структуры, но и продемонстрировали, что они активно управляют формой клеток и даже их ростом, независимо от давления внутри клетки.
До открытия группы пектин считался дезорганизованным гелеобразным наполнителем, расположенным между длинными волокнами целлюлозы в клеточной стенке. Доктор Калина Т. Хаас, первый автор статьи, которая в то время работала в Кембриджском университете, а сейчас является исследователем INRAE, объясняет: «Биохимия обычно используется для изучения компонентов клеточной стенки, но биохимический анализ разрушает клеточная стенка для извлечения молекул для дальнейшего изучения, и поэтому у нас нет возможности изучить исходную структуру. Обычные флуоресцентные микроскопы с разрешением 200 нм также не помогают, поскольку клеточная стенка имеет ширину всего 50-100 нм. и слишком мал для этого типа микроскопа, чтобы увидеть его детальную структуру. Чтобы преодолеть это, мы использовали два типа передовой микроскопии, dSTORM и cryoSEM, которые позволили нам сохранить неповрежденной клеточную стенку. Вместе эти микроскопы показали, что пектины не образуют «желе», а создают хорошо организованную наноразмерную колоннаду (последовательность столбцов) вдоль края клеточной стенки».
Крио (очень низкотемпературный) сканирующий электронный микроскоп (криоСЭМ), разработанный в лаборатории Сейнсбери в Кембриджском университете, сделал самые первые изображения этих пектиновых нитей. Доктор Рэймонд Вайтман, руководитель центра обработки изображений в лаборатории Сейнсбери, сказал: «40 лет назад в лаборатории химики впервые продемонстрировали, что пектин может образовывать филаменты, но в природе это никогда не наблюдалось. Первые изображения пектина в виде нитевидных структур и световой микроскоп сверхвысокого разрешения под названием dSTORM подтвердили, что то, что мы видели, на самом деле было пектиновыми структурами. Ни один микроскоп сам по себе не смог бы подтвердить эти результаты».
Д-р Хаас и д-р Алексис Посель из INRAE адаптировали микроскоп dSTORM MRC/LMB для анализа клеток листа Arabidopsis thaliana (кресс-салат) с высоким разрешением 20-40 нм. Они обнаружили, что один тип химического изменения (удаление метильной группы) в пектиновых нанонитях вызывает набухание и радиальное расширение нитей примерно на 40%. Это набухание вызывает искривление клеточной стенки, что затем инициирует рост и образование клеток необычной волнистой формы.
Д-р Посель объяснил: «Это связано с изменением упаковки пектиновых полимеров внутри нанофиламента с компактной на рыхлую решетку. Такое саморасширение компонентов клеточной стенки в сочетании с их локальной ориентацией может приводят к появлению сложных форм. Компьютерная модель обнаружила, что небольшого изменения размера, которое сопровождает модифицированную нанонить, достаточно, чтобы придать клетке форму мозаики. Кроме того, эти изменения формы не нуждались в силе тургора в смоделированных клетках».
Потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить, какой вклад тургорное давление и целлюлоза в клеточной стенке играют в определении формы клетки. Команда считает вполне вероятным, что тургорное давление и целлюлозные волокна работают вместе с пектиновыми нанонитями, помогая поддерживать форму.
Команда также хотела увидеть, насколько случайными или упорядоченными были волнистые формы растительных клеток. Вместо визуального анализа формы клеток на графике они использовали обработку данных ультразвуком, чтобы «услышать форму клеток».
Д-р Посель объяснил: «Мы обнаружили, что волнообразный край растительных клеток эпидермиса очень упорядочен. музыкальном инструменте. Например, мы использовали разные клетки для создания нот хроматической гаммы, а затем играли с ними «Голубой Дунай» И. Штрауса. Удивительно, что, углубляя наше понимание того, как эпидермальные клетки формируют свой волнистый, мы также подтвердили, что пектин участвует в процессе роста. Это подчеркивает, как мало мы знаем о таком жизненно важном для поддержания нашего общества, как рост растений. Я предполагаю, что дальнейшие открытия в области здоровья растений и человека будут сделаны по мере того, как больше внимания будет уделяться внеклеточным матрикс, окружающий клетки, благодаря новому поколению микроскопов высокого разрешения. Хотя клетки животных не окружены клеточными стенками, они окружены внеклеточным матриксом из белков и сахаров, который может аналогичным образом определять форму клеток». Аналогичную роль могут играть и другие полисахариды внеклеточного матрикса, такие как каррагинан красных водорослей, альгинат бурых водорослей или даже гиалуроновая кислота у животных.