Рослинні тканини зморщуються

Рослина може рости напрочуд упорядковано, проте навіть незначні відмінності в тому, як розширюються її клітини, здатні кардинально змінити кінцеву форму. У новому дослідженні квіткової рослини арабідопсис вивчалося, чому одні рослинні структури залишаються гладенькими, тоді як на інших утворюються складки та зморшки.

Дослідження вказує на механічний взаємозв’язок між різними шарами клітин, демонструючи, що як напрямок росту, так і жорсткість тканин впливають на форми, що виникають у процесі розвитку.

Детальніший погляд на ріст чашолистків

Дослідження було зосереджене на чашолистках — схожих на листки утвореннях, що оточують і захищають пуп'янок квітки до її розкриття. Їхня форма зумовлена ​​не лише збільшенням розміру клітин. Напрямок розширення клітин, а також ступінь опору різних шарів деформації, можуть впливати на те, чи залишиться поверхня рівною, чи почне викривлятися.

Науковці порівняли звичайні рослини арабідопсису з мутантною формою, що мала помітно зморшкуваті чашолистки. Це порівняння дозволило дослідникам простежити за поведінкою внутрішнього та зовнішнього шарів у процесі розвитку цих структур. Замість того щоб аналізувати лише кінцеву форму, вчені спостерігали за ростом у динаміці. Це допомогло з’ясувати, як відмінності між двома клітинними шарами поступово формували остаточний вигляд.

Спостереження за ростом клітин

Дослідницька група використовувала метод візуалізації живих тканин через рівні проміжки часу, щоб відстежувати зміни в чашолистках, що розвивалися. Ці спостереження дозволили виміряти низку параметрів, зокрема швидкість росту й поділу клітин, а також напрямок їхнього росту. Отримані дані поєднали з результатами комп’ютерного моделювання. Такий підхід був важливим, оскільки утворення зморшок може бути видимим наслідком дії механічних сил, що виникають поступово в процесі розширення тканин.

Модель показала, що для виникнення деформації (викривлення) необхідне виконання двох умов. Зовнішній шар мав рости інтенсивніше за внутрішній (особливо в ширину) і водночас бути м’якшим за шар, що містився під ним. Коли ці відмінності ставали достатньо значними, зовнішня поверхня втрачала здатність зберігати рівну форму.

Важливість напрямку росту

Найсуттєвіша відмінність стосувалася напрямку росту клітин. У звичайних рослин клітини як внутрішнього, так і зовнішнього шарів чашолистка переважно видовжувалися в напрямку до верхівки. Оскільки обидві поверхні росли в одному напрямку, їхній розвиток залишався узгодженим. У рослин-мутантів ситуація була іншою: клітини зовнішнього шару змінювали напрямок росту вбік, замість того щоб продовжувати рости до верхівки, тоді як клітини внутрішнього шару продовжували рости вгору.

Ця розбіжність створювала механічний тиск між двома шарами. Фактично, одна поверхня намагалася розширюватися в іншому напрямку, ніж інша. Оскільки тканини залишалися з’єднаними, ця різниця призводила до виникнення стиснення і, зрештою, до появи видимих ​​складок. Дослідники також виявили відмінність у жорсткості: у звичайних чашолистках внутрішній і зовнішній шари мали схожу жорсткість, тоді як у мутантів зовнішній шар був м’якшим, а внутрішній залишався більш жорстким.

Перевірка можливості запобігання утворенню зморшок

Дослідники не обмежилися лише спостереженням за відмінностями. Вони також перевірили, чи можна виправити незвичну форму, змінивши характер росту. Завдяки генетичному втручанню команда змінила напрямок росту мутантних чашолистків так, що клітини знову почали збільшуватися у вертикальному напрямку. Після цього коригування чашолистки більше не деформувалися й не утворювали зморшок.

Такий підхід також відновив більш рівномірний розподіл жорсткості між внутрішнім і зовнішнім шарами. Цей результат підтвердив думку про те, що незвична форма не була наслідком дії лише одного чинника. Натомість кінцевий результат визначався взаємодією напрямку росту та механічних властивостей сусідніх шарів.

Що може пояснити це відкриття

Розуміння того, як клітини керують формуванням фізичної структури, може знайти застосування далеко за межами дослідження однієї невеликої квіткової частини. Органи рослин мають найрізноманітніші форми: від відносно пласких поверхонь до структур із вигинами, складками та іншими складними елементами.

Дослідники припускають, що знання механіки росту з часом допоможе науковцям керувати розвитком живих матеріалів. Хоча ця робота поки що перебуває на стадії досліджень, сам принцип є цінним: біологічна форма може виникати внаслідок взаємодії росту та фізичних сил, а не через просту інструкцію, що вказує клітинам, яку саме форму слід набути.

Поєднавши візуалізацію в реальному часі з вимірюваннями та комп’ютерним моделюванням, дослідники змогли пов’язати поведінку клітин із видимими змінами форми рослини. Отримані результати слугують наочним прикладом того, як мікроскопічні закономірності росту можуть формувати цілісну біологічну структуру.