Исследователи растений из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) предлагают новое понимание основных процессов деления клеток растений. Ученым удалось понять, как координируются процессы, которые играют ключевую роль в правильном разделении дочерних клеток во время клеточного деления. В научном издании The EMBO Journal они описывают задачи определенных строительных блоков мембраны и то, как на растения влияет разрушение этих строительных блоков.
Для своего исследования исследователи растений изучили корни кресс-салата, Arabidopsis thaliana. Они выращивали нормальные растения и растения, у которых искусственно отключали некоторые ферменты, влияющие на состав мембран.«Мы хотели выяснить, какие строительные блоки мембраны важны для клеточного деления и почему», - объясняет профессор Инго Хейлманн из MLU.
Для развития растений их клетки должны делиться. Сначала делится генетический материал, находящийся в ядре клетки. Два целых новых клеточных ядра формируются из дублированного генетического материала. Остальные компоненты клетки, например хлоропласты и митохондрии, распределяются между двумя будущими дочерними клетками. Все это происходит в родительской ячейке.
Только тогда дочерние клетки будут разделены новой клеточной стенкой. Весь процесс можно сравнить со стройкой. Сначала в середине клетки формируется временный каркас из белковых волокон, так называемый фрагмопласт. Подобно железнодорожным путям, эти волокна направляют строительные материалы, необходимые для клеточной стенки. Маленькие пузырьки постепенно переносят новый материал клеточных стенок по рельсам. Все это собирается вместе с помощью сложного механизма синтеза, чтобы сформировать более крупную структуру: клеточную пластину. Клеточная пластинка продолжает расти по краям от центра клетки наружу до тех пор, пока диск клеточной стенки полностью не отделит дочерние клетки друг от друга. «Механизм синтеза должен правильно координировать белковые волокна, чтобы все функционировало должным образом, иначе товарные вагоны будут транспортировать материал клеточной стенки не в то место или не в то время, и формирование клеточных пластинок прекратится», - объясняет Хейлманн.
Используя эксперименты по биохимии и клеточной биологии, его исследовательская группа смогла показать, что PI4P, строительный блок мембраны, играет две роли во время клеточного деления: PI4P не только контролирует активность механизма слияния, но и обеспечивает новую материал транспортируется в правильном направлении. Впервые исследователи смогли показать, что PI4P помогает обеспечить сборку и разборку белкового каркаса фрагмопласта в нужных местах. В нормальных растениях это приводит к образованию регулярных клеток, которые идеально сочетаются друг с другом и придают растению необходимую стабильность.
У мутировавших растений, однако, ученые наблюдали серьезные дефекты клеточного деления: они обнаружили увеличенные клетки, содержащие несколько клеточных ядер в результате неудачного разделения дочерних клеток. Некоторые клетки не могли полностью делиться, клеточная ткань была хаотична, и существовали огромные различия в размерах отдельных клеток. «Это неприятная ткань. Она делает все растение более нестабильным, уменьшает его размер и влияет на то, как оно адаптируется к раздражителям окружающей среды», - объясняет Хейлманн.
Результаты исследовательской группы из Галле помогают лучше понять динамику цитоскелета микротрубочек растения. Цитоскелет не только определяет направление клеточных транспортных процессов при делении клеток, но и направляет общий рост растений. Следовательно, новые открытия могут иметь далеко идущие последствия, например, для отложения целлюлозы в стенках клеток растений и, следовательно, для производства биомассы и целлюлозы. Однако сначала необходимо определить, применимы ли полученные данные к другим растениям и как можно конкретно регулировать активность исследованных здесь ферментов.
Исследование финансировалось Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий исследовательский фонд) и грантом Китайского стипендиального совета и проводилось в сотрудничестве с Институтом генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK Gatersleben).