Как растенията се набръчкват

На пръв поглед растежът на едно растение изглежда напълно подреден процес. Но дори малка промяна в начина, по който отделните клетки се разширяват, може да доведе до изненадващо различна крайна форма.

Ново изследване на Arabidopsis разкрива как посоката на клетъчния растеж и различията в твърдостта на тъканите могат да превърнат гладка растителна повърхност в нагъната и набръчкана структура.

Фокус върху чашелистчетата

Учените са изследвали чашелистчетата – листоподобните структури, които обгръщат и предпазват цветната пъпка преди разцъфването. Крайната им форма не зависи единствено от това колко нарастват клетките. Важни са и посоката на растеж, както и твърдостта на различните клетъчни слоеве.

За да разберат как се появяват гънките, изследователите са сравнили нормални растения Arabidopsis с мутантна форма, чиито чашелистчета развиват ясно изразени гънки. Това им е позволило да проследят поведението на вътрешния и външния слой, докато структурата постепенно се развива.

Вместо да анализират само крайния резултат, учените са наблюдавали процеса във времето. Така те са успели да установят как постепенно възникващите различия между двата слоя оформят окончателната структура.

Как се променят клетките

Екипът е използвал наблюдение на живи тъкани през определени интервали, за да проследи развитието на чашелистчетата. Учените са измервали скоростта, с която клетките се разширяват и делят, както и посоките, в които растат. След това получените данни са били включени в компютърен модел.

Този подход е помогнал да се обясни как механичните сили, натрупващи се постепенно по време на растежа, могат да доведат до появата на видими гънки.

Моделът показал, че за да се появи нагъване, са необходими две условия. Външният слой трябва да расте повече от вътрешния, особено в ширина, и едновременно с това да бъде по-мек от разположения под него слой. Когато разликата стане достатъчно голяма, външната повърхност вече не може да остане гладка и започва да се изкривява.

Посоката на растеж е ключова

Най-съществената разлика между нормалните и мутантните растения е свързана с посоката на клетъчния растеж. При нормалните растения клетките както във вътрешния, така и във външния слой на чашелистчетата обикновено се удължават към върха. Тъй като двата слоя се развиват в сходна посока, растежът им остава координиран.

При мутантните растения обаче клетките във външния слой започват да растат странично, вместо към върха. В същото време клетките във вътрешния слой продължават да се развиват нагоре.

Това разминаване създава механично напрежение между двата слоя. Едната повърхност се стреми да се разшири в различна посока от другата, но тъканите остават свързани.

В резултат на това може да се натрупа натиск, който постепенно води до появата на видими гънки. Изследователите са открили и разлика в твърдостта. При нормалните чашелистчета вътрешният и външният слой имат сходна устойчивост на деформация. При мутантите външният слой е по-мек, докато вътрешният запазва по-висока твърдост.

Могат ли гънките да бъдат предотвратени?

Учените не са се ограничили само до наблюдение на различията. Те са проверили и дали промяната на модела на растеж може да предотврати необичайната форма.

Чрез генетична намеса екипът е пренасочил растежа на клетките в мутантните чашелистчета, така че те отново да се разширяват нагоре. След тази промяна чашелистчетата вече не са показвали същото нагъване.

Намесата е възстановила и по-равномерното ниво на твърдост между вътрешния и външния слой. Резултатът подкрепя идеята, че необичайната форма не се дължи на един-единствен фактор.

Вместо това посоката на растеж и механичните свойства на съседните слоеве действат заедно, за да определят крайния вид на структурата.

Какво може да обясни откритието?

Разбирането на начина, по който клетките определят физическата форма на растителните органи, може да има значение и отвъд чашелистчетата на едно малко цъфтящо растение. Растенията развиват множество различни структури – от сравнително плоски повърхности до сложни форми с извивки, гънки и други особености.

Според изследователите познанията за механиката на растежа един ден могат да помогнат на учените да насочват развитието на живи материали.

Подобни приложения все още са на изследователски етап, но самият принцип е важен: биологичната форма може да възниква от взаимодействието между растежа и физическите сили, а не просто от инструкция, която казва на клетките каква форма да създадат.

Чрез съчетаването на наблюдение на живи клетки, количествени измервания и компютърно моделиране учените са успели да свържат поведението на отделните клетки с видимите промени във формата на растението. Резултатите показват по ясен начин как микроскопичните процеси на растеж могат постепенно да оформят цяла биологична структура.