Животных и растений отличает множество особенностей, одной из которых является клеточная стенка. У растений эта структура действует как скелет, обеспечивая поддержку и стабильность, а также как мышца, пропускающая воду от земли к самым высоким листьям и ветвям. Структура, ответственная за перенос воды, представляет собой вторичную клеточную стенку, которую изучает профессор NAIST Таку Демура, поскольку она состоит из ксилемы.
«Ксилема является важным ресурсом биомассы наземных растений. Модификации дифференцировки клеток ксилемы важны для стратегий улучшения ресурсов биомассы растений», - считает Демура.
Вторичная клеточная стенка состоит из трех типов полимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. В новом исследовании, которое можно прочитать в Plant Cell, лаборатория Демуры обнаружила, что эти три полимера в мутантных клетках ксилемы участвуют в формировании вторичной клеточной стенки независимо друг от друга, бросая вызов современной модели роста растений.
Взаимодействие между целлюлозой и гемицеллюлозой имеет решающее значение для придания клеточным стенкам прочности и эластичности, чтобы выталкивать воду вверх. Взаимодействие с лигнином добавляет гидрофобности, которая придает толчку электрический заряд. Исследования, проведенные в начале 1980-х годов, убедили ученых в том, что образование вторичной клеточной стенки происходит последовательно, начиная с синтеза целлюлозы на поверхности клетки, за которым следует отложение гемицеллюлозы, связывающейся с целлюлозой, и, наконец, миграция и полимеризация. лигнина.
В результате этих взаимодействий три полимера принимают очевидную пространственную структуру в клетках ксилемы. Однако клетки ксилемы в мутации Arabidopsis thaliana, небольшого растения, обычно используемого учеными для изучения роста растений, сделанного в лаборатории Демуры, показали нарушение синтеза целлюлозы без нарушения пространственного паттерна гемицеллюлозы или лигнина..
«Мы внесли мутацию в ген целлюлозосинтазы CESA7. Эта мутация предотвратила образование целлюлозы. Несмотря на отсутствие паттернированного отложения целлюлозы, мы увидели паттернированное отложение гемицеллюлозы и лигнина», - объясняет доктор Мисато Отани, который участвовал в проекте.
Дополнительное исследование показало, что устойчивый паттерн может быть приписан микротрубочкам, молекулам, встречающимся почти у всех живых существ, включая человека, и отвечающим за транспортировку материалов внутри клеток.
«Нам удалось разрушить структуру гемицеллюлозы и лигнина, когда мы разрушили микротрубочки с помощью лекарства. Это говорит о том, что во время вторичного формирования клеточной стенки гемицеллюлоза и лигнин регулируются микротрубочками, а не целлюлозой», - продолжил Отани.
Принимая во внимание растущие усилия по биоинженерии растений, которые могут производить ресурсы с более высокой эффективностью или противостоять экстремальным изменениям климата, Демура отмечает, что выяснение механизмов развития фундаментальных структур растений, таких как вторичная клеточная стенка, поможет ученым достичь этих целей.
«Выявление независимости целлюлозы, гемицеллюлозы и ксилана предполагает, что мы можем модифицировать одно, не изменяя другое в растениях», - говорит он..