Устьица, от греческого слова, означающего «рот», — это важные органы, регулирующие обмен углекислого газа и кислорода, а также потерю воды. Плотность этих микроскопических пор на поверхности листа и эффективность их открытия и закрытия в ответ на стресс оказывают сильное влияние на то, насколько эффективно растения поглощают углекислый газ для фотосинтеза и ограничивают потерю воды во время засухи. Более глубокое понимание работы устьиц может помочь в разработке сельскохозяйственных культур с улучшенной эффективностью использования воды и устойчивостью к засухе.
Ученые выяснили, как взаимодействие формы клетки и механического напряжения влияет на ориентацию деления устьиц (микроскопических пор на поверхности листа) на ранних стадиях развития растения.
Деление клеток у растений часто происходит по кратчайшему пути, образуя две равные дочерние клетки. Однако в некоторых контекстах развития это правило нарушается. Ранняя линия развития устьиц у двудольных растений состоит из серии асимметричных делений. Идентификация поляризованных белков улучшила понимание того, как направляются эти деления, однако факторы, определяющие ориентацию окончательного симметричного деления, остаются неясными. Здесь исследователи из Кембриджского университета использовали систему, в которой каждая клетка принимает судьбу устьиц, чтобы выявить их выравнивание.
Хотя исследователям давно известны ключевые генетические регуляторы, контролирующие развитие устьиц, включая транскрипционные факторы SPEECHLESS и MUTE (которые действуют последовательно, инициируя и завершая состояние клеток устьиц), остается неясным, что определяет ориентацию деления устьиц на листе.
Используя в качестве модельного растения Arabidopsis thaliana, исследователи из исследовательской группы доктора Сары Робинсон в лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета (SLCU) объединили методы прижизненной визуализации и компьютерного моделирования для изучения ориентации деления устьиц на ранних стадиях развития листьев.
В течение первых пяти дней после прорастания семян группа исследователей отслеживала состояние более 10 000 устьев на 72 эмбриональных листьях (семядолях).
«Наши результаты показывают, что деление устьиц в значительной степени определяется геометрией клетки. В большинстве случаев оно выравнивается вдоль длинной оси клетки, что необычно по сравнению со многими другими типами растительных клеток», — сказал доктор Лео Серра, первый автор исследования.
Однако это не объясняло наблюдаемое ими выравнивание устьев в масштабе органов. Команда обнаружила, что форма клеток — лишь часть картины.
Моделируя закономерности роста и экспериментально изменяя механические силы внутри молодых растений, исследователи продемонстрировали, что возникающая при расширении листа сила растяжения влияет на ориентацию делений замыкающих клеток устьиц.
«Когда мы изменили механические силы, приложенные к листу, мы увидели явные изменения в ориентации деления устьиц. Это говорит о том, что механическое напряжение может преобладать над геометрическими ориентирами», — говорит доктор Юэн Смитерс, проводивший моделирование.
«Мы обнаружили, что деления устьиц, как правило, располагаются вдоль продольной оси клетки, но на них может влиять механическое напряжение. Хотя деление устьиц демонстрирует сильную ориентацию в соответствии с геометрией клетки, механическое воздействие подтвердило влияние растягивающего напряжения на ориентацию деления устьиц», — сказала доктор Робинсон.
Исследователи также обнаружили существенные различия между верхней (адаксиальной) и нижней (абаксиальной) сторонами листа.
Эти две стороны растут с разной скоростью (адаксиальная сторона растет быстрее, чем абаксиальная), создавая различные закономерности и уровни растягивающих сил по всей поверхности листа.
В результате ориентация деления устьиц меняется со временем и на разных поверхностях.
На нижней стороне листа (где устьиц больше) деления плотно прилегают к оси листа, но становятся более изменчивыми по мере развития. Напротив, на верхней стороне ориентация устьиц нарушается гораздо раньше. Доктор Робинсон говорит, что эти различия, скорее всего, обусловлены разницей в росте двух сторон листа.
Изменения в характере растягивающего напряжения смещают ориентацию делений устьиц: G–H. Компьютерное моделирование дифференциального роста и прогнозируемой ориентации напряжения в семядоле.
(G) Распределение скоростей роста, примененных к моделированию семядоли, на основе семядоли, показанной на панели D, и двух дополнительных биологических повторов. Моделируемые скорости роста различаются между абаксиальной и адаксиальной поверхностями, при этом более высокие скорости роста наблюдаются на адаксиальной стороне. Цвета указывают относительную скорость роста по всей клеточной сетке.
(H) Прогнозируемая ориентация растягивающего напряжения, обусловленного дифференциальным ростом, на абаксиальной и адаксиальной поверхностях семядоли. Сплошные линии указывают основное направление растягивающего напряжения, а пунктирные линии — направление минимального растягивающего напряжения. Цвета представляют анизотропию напряжения, при этом более высокая анизотропия показана желтым цветом, а более низкая — фиолетовым. Масштабная линейка: 50 мкм. Моделирование выполнено Юэном Смитерсом. Автор: Юан Смитерс.
«Более быстрый рост на адаксиальной стороне приводит к большему расслаблению растягивающего напряжения, в то время как более медленный рост на абаксиальной стороне поддерживает более стабильные схемы растягивающего напряжения, способствуя более скоординированному выравниванию устьиц», — поясняет доктор Робинсон.
Чтобы разделить относительный вклад геометрии, роста и механического напряжения, команда использовала покадровую съемку и передовой анализ изображений для отслеживания клеточных линий и количественной оценки ориентации деления. Они использовали мутантные растения с ослабленной клеточной адгезией, что позволило выявить закономерности.
Приложить механическое напряжение к очень мелким тканям может быть непросто. «Мы нашли способ согнуть листья, чтобы изменить распределение напряжений на поверхности листа. Мы обнаружили, что этого достаточно, чтобы изменить ориентацию устьев», — сказал доктор Серра.
Анализ показал, что, хотя деления устьиц чаще всего выровнены вдоль продольной оси клетки, они также могут совпадать с прогнозируемыми закономерностями растягивающего напряжения в масштабе органа, особенно в клетках с более изотропной формой.
Этот вывод согласуется с наблюдениями в других растительных тканях, где деление клеток часто происходит в направлении максимального механического напряжения.
«Геометрия клеток, по-видимому, является доминирующим фактором, определяющим ориентацию устьиц, но в определенных условиях механическое напряжение может взять верх. Этот двойной контроль может помочь скоординировать поведение клеток в ткани», — сказала доктор Робинсон.
Хотя в исследовании не проводилось прямого изучения влияния ориентации деления устьиц на их функцию, исследователи предполагают, что выравнивание устьиц в соответствии с характером механического напряжения может оптимизировать эффективность открытия и закрытия пор.
«Поскольку сами устьица создают механические силы, воздействующие на соседние клетки, чувствительность к стрессу также может способствовать правильному расположению новых устьиц, что улучшит их общую производительность. Наша работа подчеркивает, как механический контекст влияет на биологические результаты. Нам еще многое предстоит узнать о том, как растения создают закономерности, которые могут распространяться на целые органы», — заключила доктор Робинсон.
Источник: University of Cambridge.
На заглавном фото вы видите изображения, полученные методом световой микроскопии, показывают раскрытие семядолей и развитие различных паттернов механического напряжения между верхней и нижней сторонами. Автор фото: Лео Серра.