Рост клеточных стенок обычно описывается как простой процесс, но исследователи, использующие микроскоп, который может разрешать изображения на наноуровне, наблюдали нечто более сложное.
Исследователи обнаружили в одном недавнее исследование.
Исследователи, которые сообщают о своих выводах в текущем выпуске журнала Nature Plants, использовали атомно-силовой микроскоп, который позволил им получать изображения с высоким разрешением на нанометровом уровне. Это позволило им наблюдать за микрофибриллами - волосоподобными волокнами из целлюлозы, которые помогают формировать клеточные стенки - и за тем, как они реагировали, когда исследователи растягивали стенки таким образом, чтобы имитировать деформации роста в естественных условиях.
«С помощью атомно-силового микроскопа мы впервые можем увидеть конформацию микрофибрилл целлюлозы в условиях гидратации и то, как эти микрофибриллы двигаются при различных режимах растяжения», - сказал Дэниел Косгроув, профессор биологии. который также возглавляет кафедру биологии Эберли в Пенсильванском университете. «То, что мы увидели, было совершенно другим паттерном движения, чем то, что происходит, когда вы ослабляете клеточную стенку таким образом, который имитирует рост растительной клетки. Рост клеточной стенки не просто играет по правилам нормальной механики клеточной стенки, но в на самом деле здесь есть еще один элемент - ослабление клеточной стенки - который меняет механическое поведение клеточной стенки на нечто иное».
По словам Косгроува, рост растений определяется тем, как растут клеточные стенки. Микрофибриллы и комбинация других типов полисахаридов - или сахарных полимеров - медленно заполняют стенки растительных клеток и отделяются друг от друга, увеличивая размер поверхности стенок.
«Рост клеточных стенок растений является основным механизмом, с помощью которого очень маленькие сеянцы могут вырасти в действительно большие деревья», - сказал Косгроув. «Это клеточная основа того, как листья расширяются - и это важно для фотосинтеза - так что все, что мы едим, прямо или косвенно зависит от этого процесса».
Стены растительных клеток обладают как эластичными, или обратимо-растяжимыми, так и пластическими, или необратимо-растяжимыми, свойствами, которые позволяют стенкам быть достаточно гибкими, чтобы расширяться при росте, но достаточно прочными, чтобы оставаться неповрежденными. Полученные данные пересматривают предыдущие модели роста клеточной стенки, которые предполагали, что эластичность стенки была первым шагом в росте клеточной стенки.
«В литературе ведутся давние дебаты о том, имеют ли эластичные свойства клеточной стенки первостепенное значение для роста клеток», - сказал Косгроув. «Некоторые ученые считают, что упругие свойства указывают на способность клеточной стенки расти. Чем больше он может растянуться, тем быстрее он будет расти».
В прошлом исследователи использовали объемные измерения только для проверки эластичности клеточных стенок.
«Если вы просто измерите эластичные свойства, то получите неполную картину способности этой клеточной стенки расти и модели, по которой она растет», - сказал Косгроув, который работал с Тянь Чжаном, докторантом. по биологии и Дэниел М. Дурачко, ассистент-исследователь по биологии из Университета Пенсильвании, и Димитриос Вавилонис, профессор физики Университета Лихай.
Исследователи также сказали, что микрофибриллы когда-то рассматривались как пассивные армирующие элементы в материале, из которого состоит клеточная стенка, и что они просто подвергались пассивной перестройке по мере роста стенки, сказал Косгроув. Однако под микроскопом микрофибриллы показали более сложные движения, добавил он.
Технология - как в микроскопе, а также устройство, которое может тянуть за клеточную стенку, в данном случае клеточную стенку растения лука, - сыграли решающую роль в проведении этих наблюдений, по словам Косгроува.
«Мы никогда раньше не видели движения микрофибрилл на наноуровне», - сказал он. «И это ключ к пониманию того, что происходит на молекулярном уровне в клеточной стенке».
Исследователи удалили полоску длиной 30 мм и шириной 5 мм из внешнего слоя белой луковицы и поместили ее под атомно-силовой микроскоп. Чтобы имитировать напряжение и деформацию стенки, полоски были прикреплены к устройству, которое могло растягивать кожу. Микроскоп делал замедленные фотографии процесса растяжения.