Tajemství vrásek

Rostliny mohou během růstu vytvářet překvapivě přesné a uspořádané struktury. I malé rozdíly v tom, jak se jednotlivé buňky rozpínají, však mohou nakonec výrazně změnit jejich výsledný tvar.

Nová studie na kvetoucí rostlině huseníčku rolním ukazuje, proč některé části zůstávají hladké, zatímco jiné se během vývoje začnou vlnit a vrásnit.

Bližší pohled na růst kališních lístků

Výzkum se zaměřil na kališní lístky, tedy listovité části květu, které před rozkvětem obklopují a chrání květní pupen. Jejich výsledný tvar přitom není dán pouze tím, jak moc se buňky zvětší. Důležitou roli hraje také směr jejich růstu a pevnost jednotlivých vrstev pletiva. Vědci porovnávali běžné rostliny huseníčku rolního s mutantní formou, u níž se vytvářely výrazně vrásčité kališní lístky.

Díky tomuto srovnání mohli sledovat, jak se během vývoje chovají vnitřní a vnější buněčné vrstvy. Nezaměřili se pouze na konečný vzhled, ale sledovali růst v průběhu času. To jim umožnilo zjistit, jak se rozdíly mezi oběma vrstvami postupně promítají do výsledného tvaru.

Jak buňky rostou v čase

Výzkumný tým využil živé zobrazování v pravidelných časových intervalech, aby mohl sledovat změny ve vyvíjejících se kališních lístcích. Vědci měřili například rychlost růstu a dělení buněk i směr, kterým se buňky rozpínaly.

Naměřená data následně spojili s počítačovým modelováním. Tento přístup byl důležitý, protože vrásnění nemusí vzniknout náhle.

Viditelný záhyb může být výsledkem mechanických sil, které se v pletivu postupně hromadí během jeho růstu.

Model ukázal, že k deformaci dochází při splnění dvou podmínek. Vnější vrstva musí růst více než vrstva vnitřní, zejména do šířky, a zároveň musí být měkčí než pletivo pod ní. Jakmile se rozdíl dostatečně zvětší, vnější povrch už nedokáže zůstat hladce uspořádaný a začne se vychylovat.

Na směru růstu záleží

Nejvýraznější rozdíl vědci zaznamenali právě ve směru, kterým buňky rostly. U běžných rostlin se buňky ve vnitřní i vnější vrstvě kališních lístků většinou prodlužovaly směrem ke špičce. Obě vrstvy tak rostly podobným směrem a jejich vývoj zůstával vzájemně sladěný.

U mutantních rostlin tomu bylo jinak. Buňky ve vnější vrstvě začaly růst do stran místo toho, aby pokračovaly směrem ke špičce. Buňky ve vnitřní vrstvě přitom dál rostly vzhůru.

Tento rozdíl vytvořil mezi oběma vrstvami mechanické napětí. Jedna část pletiva se totiž snažila rozpínat jiným směrem než druhá.

Protože vrstvy zůstávaly navzájem propojené, vznikající rozdíl mohl vést ke stlačení a následně k viditelným záhybům.

Vědci zároveň zjistili rozdíl v tuhosti. U běžných kališních lístků byla pevnost vnitřní a vnější vrstvy podobná. U mutantů byla vnější vrstva měkčí, zatímco vnitřní zůstávala pevnější.

Šlo vrásnění zastavit?

Výzkumníci se nespokojili pouze s pozorováním rozdílů. Ověřili také, zda lze neobvyklý tvar napravit změnou způsobu růstu. Pomocí genetického zásahu přesměrovali růst buněk v mutantních kališních lístcích tak, aby se opět rozpínaly směrem vzhůru.

Po této úpravě se u kališních lístků již neobjevovalo stejné vybočování a vrásnění. Zároveň se obnovila vyrovnanější úroveň tuhosti mezi vnitřní a vnější vrstvou.

Výsledek podpořil závěr, že za neobvyklým tvarem nestojí jediný faktor. Směr růstu buněk a mechanické vlastnosti sousedních vrstev společně ovlivňují výslednou podobu rostlinné struktury.

Co může objev vysvětlit

Poznatky o tom, jak buňky ovlivňují fyzickou podobu rostlin, mohou být užitečné i při studiu dalších rostlinných orgánů. Ty mohou mít velmi rozdílné tvary – od téměř rovných povrchů až po struktury s výraznými křivkami, záhyby a dalšími složitými rysy.

Výzkumníci se domnívají, že lepší pochopení mechaniky růstu by v budoucnu mohlo pomoci vědcům při řízení vývoje živých materiálů.

Jde zatím o oblast základního výzkumu, princip je však významný: biologický tvar nemusí vznikat pouze podle jednoduché instrukce určující buňkám, jak má výsledná struktura vypadat. Může být také výsledkem vzájemného působení růstu a fyzických sil.

Kombinace živého zobrazování, přesných měření a počítačového modelování umožnila vědcům propojit chování jednotlivých buněk s viditelnými změnami celého rostlinného útvaru. Studie tak ukazuje, jak mohou zdánlivě drobné změny na buněčné úrovni postupně vytvořit výrazný tvar celé biologické struktury.