Zmarszczki roślin

Roślina może rosnąć w zaskakująco uporządkowany sposób, a mimo to niewielkie różnice w sposobie, w jaki rozszerzają się jej komórki, mogą znacząco zmienić jej ostateczny kształt.

W nowym badaniu rośliny kwitnącej Arabidopsis naukowcy sprawdzili, dlaczego niektóre struktury roślinne pozostają gładkie, podczas gdy inne rozwijają fałdy i zmarszczenia.

Wyniki wskazują na mechaniczną zależność między różnymi warstwami komórek, pokazując, że zarówno kierunek wzrostu, jak i sztywność tkanek wpływają na kształty powstające podczas rozwoju.

Bliższe spojrzenie na rozwój działek kielicha

Badanie koncentrowało się na działkach kielicha, czyli przypominających liście strukturach, które otaczają i chronią pąk kwiatowy przed jego otwarciem. Ich kształt nie jest jedynie wynikiem powiększania się komórek. Kierunek, w którym komórki się rozrastają, a także stopień, w jakim poszczególne warstwy opierają się odkształceniom, może decydować o tym, czy powierzchnia pozostanie gładka, czy zacznie się wyginać.

Naukowcy porównali normalne rośliny Arabidopsis z formą mutantową, u której działki kielicha były wyraźnie pomarszczone. Porównanie pozwoliło zespołowi sprawdzić, jak zachowywały się wewnętrzna i zewnętrzna warstwa podczas rozwoju tych struktur. Zamiast analizować wyłącznie ich końcowy kształt, naukowcy obserwowali wzrost w czasie.

Dzięki temu mogli ustalić, jak różnice między obiema warstwami stopniowo prowadziły do powstania ostatecznej formy.

Obserwowanie komórek podczas wzrostu

Zespół badawczy wykorzystał obrazowanie na żywo w regularnych odstępach czasu, aby śledzić zmiany zachodzące w rozwijających się działkach kielicha. Obserwacje pozwoliły zmierzyć kilka parametrów, między innymi tempo powiększania się i podziałów komórek oraz kierunki ich wzrostu.

Następnie informacje te połączono z modelowaniem komputerowym. Takie podejście było istotne, ponieważ zmarszczenie może być widocznym skutkiem działania sił mechanicznych, które stopniowo powstają wraz ze wzrostem tkanek.

Model wskazał, że do powstania wybrzuszeń potrzebne były dwa warunki. Warstwa zewnętrzna musiała rosnąć bardziej niż wewnętrzna, szczególnie na szerokość, a jednocześnie musiała być bardziej miękka od znajdującej się pod nią warstwy. Gdy różnice te stawały się wystarczająco duże, zewnętrzna powierzchnia nie mogła już zachować gładkiego ułożenia.

Kierunek wzrostu ma znaczenie

Najważniejsza różnica dotyczyła kierunku wzrostu komórek. U normalnych roślin komórki zarówno wewnętrznej, jak i zewnętrznej warstwy działek kielicha na ogół wydłużały się w kierunku ich wierzchołka. Ponieważ obie powierzchnie rosły w podobnym kierunku, ich rozwój pozostawał skoordynowany. U roślin mutantowych sytuacja wyglądała inaczej. Komórki warstwy zewnętrznej zaczęły rosnąć na boki zamiast nadal kierować się ku wierzchołkowi. Jednocześnie komórki warstwy wewnętrznej wciąż rosły ku górze.

Ta rozbieżność powodowała powstawanie naprężeń mechanicznych między obiema warstwami. Jedna powierzchnia próbowała rozszerzać się w innym kierunku niż druga. Ponieważ tkanki pozostawały ze sobą połączone, różnica ta mogła prowadzić do ściskania, a następnie do powstawania widocznych fałd.

Naukowcy zaobserwowali również różnicę w sztywności. W normalnych działkach kielicha wewnętrzna i zewnętrzna warstwa miały podobną sztywność. U mutantów warstwa zewnętrzna była bardziej miękka, podczas gdy wewnętrzna pozostawała sztywniejsza.

Sprawdzanie, czy można zapobiec powstawaniu zmarszczeń

Naukowcy nie ograniczyli się do obserwowania różnic. Sprawdzili również, czy zmiana sposobu wzrostu może skorygować nietypowy kształt. Za pomocą modyfikacji genetycznej skierowali wzrost w mutantowych działkach kielicha w taki sposób, aby komórki ponownie rozszerzały się ku górze. Po tej zmianie działki kielicha nie wykazywały już takiego samego uginania.

Zastosowana metoda przywróciła również bardziej zbliżony poziom sztywności między wewnętrzną a zewnętrzną warstwą. Wynik ten potwierdził, że nietypowy kształt nie był skutkiem działania jednego czynnika.

Zamiast tego kierunek wzrostu oraz właściwości mechaniczne sąsiadujących warstw współdziałały ze sobą, wpływając na ostateczny kształt.

Co to odkrycie może pomóc wyjaśnić

Zrozumienie tego, jak komórki kontrolują fizyczną formę, może znaleźć zastosowanie wykraczające poza jedną niewielką strukturę rośliny kwitnącej. Organy roślin mogą przyjmować wiele różnych kształtów – od stosunkowo płaskich powierzchni po struktury z zakrzywieniami, fałdami i innymi złożonymi cechami.

Naukowcy sugerują, że wiedza na temat mechaniki wzrostu może w przyszłości pomóc badaczom kierować rozwojem żywych materiałów. Takie prace są wciąż na etapie badań, ale sama zasada jest istotna: forma biologiczna może powstawać w wyniku wzajemnego oddziaływania wzrostu i sił fizycznych, a nie tylko na podstawie prostego polecenia określającego komórkom, jaki kształt mają przyjąć.

Łącząc obrazowanie na żywo z pomiarami i modelowaniem komputerowym, naukowcy mogli powiązać zachowanie komórek z widocznymi zmianami kształtu rośliny. Wyniki stanowią dobry przykład tego, jak wzorce wzrostu zachodzące na poziomie mikroskopowym mogą kształtować całą strukturę biologiczną.