Моделирование регуляторной сети растений раскрывает загадку формирования паттернов цитокинина

Исследователи из Хельсинкского университета обнаружили, что формирование паттернов цитокинина — важного процесса в развитии растений — не может происходить только за счёт диффузии. Изучая регуляторную сеть в корнях растений, они выявили неожиданные физические ограничения на формирование этих паттернов.

Взаимодействие гормонов ауксина и цитокинина играет центральную роль в развитии растений. В растущем корне цитокинин активирует молекулярные экспортёры, которые выкачивают ауксин из клеток, а ауксин активирует ген, блокирующий активность цитокинина. Считается, что это взаимное ингибирование формирует отдельные области для каждого гормона. Клетки, где накапливается ауксин, становятся клетками ксилемы, из которой состоит древесина.

Аспирант Хельсинкского университета Сидир эль-Шоук использовал компьютерное моделирование, чтобы проверить работу сети ауксин-цитокинин на поперечном срезе корня. Моделирование показало, что этой сети достаточно для формирования наблюдаемых паттернов, но также выявило неожиданные ограничения на движение и паттернирование цитокинина.

Известно, что молекулярные транспортеры регулируют движение ауксина, но аналогичные транспортеры для цитокинина не обнаружены. Тем не менее, градиент в распределении цитокинина считается важным для нескольких процессов развития растений — от паттернирования в раннем эмбрионе до непрерывного роста побега.

Однако моделирование показало, что диффузия цитокинина не может сформировать паттерн в достаточно малом масштабе, необходимом для этих тканей. «Легко предложить градиент цитокинина, когда ставишь эксперимент, но оказывается, что физические ограничения делают очень маловероятным формирование паттерна на этих масштабах за счёт диффузии цитокинина, — объясняет ведущий автор Сидир эль-Шоук. — Паттерн должен создаваться другим способом. Это может быть паттерн в рецепторах цитокинина, или, возможно, существуют ещё не открытые транспортеры цитокинина. В любом случае, здесь есть загадка, которую предстоит решить».

Работа выполнена в сотрудничестве с группами Вероники Гринэйзен и Стэна Мари в Центре Джона Иннеса в Великобритании.

«Наша вычислительная работа началась с экспериментальных данных. Мы подтвердили наши симуляции новыми экспериментами, и, в свою очередь, наша вычислительная модель указала на новые направления для экспериментальной работы, — говорит руководитель группы Ари Пекка Мяхёнен. — Постоянный диалог между экспериментами и вычислительной работой означает, что эти два подхода усиливают и перепроверяют друг друга».

Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.