Как клетки проводящей ткани растений превращаются в "дырки"

Теоретические биологи разгадали уникальную загадку в структуре проводящей ткани растений. Две мутации с противоположным эффектом приводят к одному результату. Профессор вычислительной биологии развития Кирстен тен Тусшер показала, что как ускорение, так и замедление транспорта ауксина через проводящую ткань растения приводят к образованию "швейцарского сыра" — узора из отверстий в новых клетках сосудов. Результаты опубликованы в Nature Communications совместно с коллегами-экспериментаторами из Швейцарии.

Проводящая ткань растений транспортирует различные вещества. Ксилема переносит воду и питательные вещества вверх к листьям, а флоэма — сахара и гормон ауксин вниз к корням. Мутации в генах, участвующих в создании клеток сосудов, сильно влияют на этот транспорт и рост растения, но механизм их работы был неясен.

Тен Тусшер и её коллеги из Лозанны обнаружили парадокс: две мутации с противоположным эффектом давали одинаковый результат. "Одна мутация ускоряла отток гормона ауксина из клеток, а другая, наоборот, замедляла его, — объясняет тен Тусшер. — Но обе мутации приводили к одинаковой структуре типа "швейцарского сыра" в клетках сосудов".

Узор "швейцарского сыра"

Сам узор примечателен. Ауксин регулирует форму и функцию клеток сосудов. "Но мутации не приводят к образованию слишком многих сосудов или их полному отсутствию, как можно было бы ожидать, — говорит тен Тусшер. — Растение всё ещё формирует один сосуд, но с прерываниями шириной примерно в две клетки через каждые несколько клеток".

В своём исследовании тен Тусшер смоделировала поток ауксина на компьютере. Модель показала, что первая мутация вызывает задержку транспорта ауксина, сравнимую с пробкой в верхней части сосуда. В результате меньше ауксина попадает вниз растения, где создаются новые клетки. Другая мутация, ускоряющая поток ауксина, превращает его движение в "скоростную магистраль". В результате ауксин недостаточно долго задерживается около клеток в нижней части растения. Хотя мутации оказывают противоположное влияние на транспорт ауксина, обе приводят к его нехватке в нижней части сосуда.

В последующих моделях тен Тусшер показала, что узор из отверстий вызван конкуренцией клеток сосудов за ауксин из-за дефицита этого гормона роста. Благодаря эффекту самоусиления в клетках, некоторым клеткам сосудов удаётся поглотить больше ауксина и вытеснить соседние клетки. Модели роста и деления клеток также показывают, что точный узор отверстий далеко не случаен, как долго считали учёные.

"Теперь мы гораздо лучше понимаем, как растение создаёт проводящую ткань и почему мутации в изученных нами генах оказывают такое драматическое влияние, — объясняет тен Тусшер. — Эта работа также подчёркивает важность моделей для разгадки парадоксальных результатов, таких как противоположные мутации с одинаковым эффектом или пространственные узоры без очевидного объяснения".