Их результаты могут помочь исследователям разработать более качественные хлопковые волокна, улучшить защиту растений от насекомых, изменить архитектуру растений и усилить реакцию корней на засуху.«Это сотрудничество позволило нам узнать больше о том, что действительно контролирует форму растительных клеток за один год, чем за предыдущие 10», — сказал Дэниел Шимански, профессор ботаники и патологии растений Purdue и руководитель исследовательской группы. «Степень, в которой наши открытия связали взаимодействующие системы и предоставили четкие объяснения для контроля формы клеток, была велика.
Возможности применения этих знаний безграничны».Команда использовала комбинацию экспериментальных данных из живых клеток растений и компьютерного моделирования, чтобы по-новому взглянуть на то, как цитоскелеты растений — сложные сети белковых волокон и трубок внутри клеток — взаимодействуют для образования сложных форм клеток.В отличие от клеток млекопитающих, клетки растений жесткие, они скованы толстой стенкой волокон, которые обладают прочностью на разрыв, как сталь.
Клетки растений также могут иметь сложную форму, такую как заостренные трехветвленные трихомы Arabidopsis, которые служили клеточными моделями в исследовании Шимански.Предыдущие исследования показали, что две системы внутриклеточных волокон контролируют форму растительных клеток: цитоскелет микротрубочек и актиновый цитоскелет. Белковый комплекс движется по микротрубочкам — крошечным трубочкам в клетке, оставляя после себя волокна, образующие структуру клеточной стенки. Эти волокна действуют как обручи вокруг бочки, удерживая клетку в цилиндрической форме при ее расширении.
Актин, тип белка, также важен для формы и развития растений, но его роль до конца не изучена.
Шимански и его коллеги-исследователи обнаружили, что волокна актина проходят по всей клетке, образуя сеть «дорог» на большие расстояния, по которым транспортируются дополнительные материалы для клеточной стенки. Белковый комплекс, известный как ARP2 / 3, контролирует производство и распределение актина в клетке и направляет движение по этим дорогам из своего положения на кончике трихома. Он также образует сеть из актина, которая может влиять на поведение и организацию остальной части клетки.
«То, как этот белковый комплекс влияет на актиновую сеть клетки, было большим открытием», — сказал Шимански. «Если мы сможем узнать больше о взаимодействиях между системами актина и микротрубочек, мы сможем применить эти знания в улучшенных системах защиты хлопковых волокон и трихомных защитных систем растений у сельскохозяйственных культур. Разработка этих низко висящих фруктов».Двухцветная визуализация живых клеток показала, что трафик по актиновой сети течет в двух направлениях — к кончику и к основанию.
По словам Шимански, через эту сеть доставляется новый материал для поддержания синтеза новой стенки во время роста клеток, хотя необходимы дальнейшие исследования, чтобы выявить, какие типы груза клеточной стенки доставляются по дорожкам актина.Инженеры Nebraska-Lincoln Джозеф Тернер и Анастасия Десятова использовали измерения ячейки Шимански для создания вычислительной модели тонкостенной герметичной ячейки, которую можно разделить на секторы с различными механическими свойствами. Эта модель является первой, в которой используются волокна стенок, а также отражено огромное внутреннее давление растительной клетки — 90 фунтов на квадратный дюйм, примерно такое же давление, как у шины шоссейного велосипеда.Модель произвела ряд предсказаний о свойствах клеточной стенки, которые Шимански затем проверил на живых трихомах.
Актин позволяет клеточной стенке сохранять градиент толщины — толще у основания и тоньше на кончике — по мере роста.
Актин также позволяет конусообразному кончику клетки изменяться по фиксированному образцу, создавая узкоспециализированную форму, которая эффективна для защиты от насекомых.Кроме того, команда обнаружила, что форма устанавливается на раннем этапе развития клетки и остается неизменной по мере расширения клетки.
«Прелесть этого моделирования в том, что его можно применить к любой растительной клетке», — сказал Шимански. «Комбинируя биохимию, генетику и клеточную биологию, мы можем лучше понять, как определяются свойства клеточной стенки. Это может привести к прорыву и в других типах клеток».
По его словам, понимание формы клеток также может быть использовано для моделирования роста и развития органов.«Контролируя геометрию и скорость роста групп клеток, вы затем можете масштабировать это, чтобы контролировать размер и форму органа, такого как лист, который имеет решающее значение для продуктивности растений».