Как растут корни

В отличие от животных, растения формируют новые органы на протяжении всей жизни — корни, ветви, цветы и плоды. Исследователи из Франкфурта хотели выяснить, в какой степени растения следуют заранее определённому плану в этом процессе. В журнале Current Biology они описали рост боковых корней резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Они наблюдали за ним клетка за клеткой с помощью высокотехнологичного оптического микроскопа и анализировали с помощью компьютерного моделирования. Их вывод: форма корня определяется комбинацией генетической предрасположенности и самоорганизации клеток.

«Наша работа показывает развитие сложного органа — бокового корня — с беспрецедентным временным и пространственным разрешением», — говорит профессор Эрнст Х. К. Штельцер из Института молекулярных наук им. Бухмана при Университете Гёте во Франкфурте-на-Майне. Он является изобретателем высокоразрешающей и щадящей флуоресцентной микроскопии на световом листе, с помощью которой учёные записали развитие боковых корней от первого деления клетки до их выхода из главного корня. В течение более 64 часов они сначала регистрировали флуоресцентные сигналы от ядер клеток и плазматической мембраны каждые пять минут, а затем идентифицировали и отслеживали все клетки, участвующие в развитии корня.

Боковые корни происходят из переменного числа «клеток-основателей», из которых некоторые вносят вклад в развитие. Форма боковых корней и соответствующие кривые роста демонстрируют большое сходство. «Мы классифицировали деления клеток на основе их пространственной ориентации, чтобы выяснить, когда формируются новые клеточные линии и слои», — объясняет первый автор исследования Даниэль фон Вангенхайм. «К удивлению, мы не смогли предсказать на основе начального пространственного расположения, где именно будет находиться будущий центр бокового корня». Очевидно, что только первое деление клеток-основателей строго регулируется, тогда как последующие деления не следуют какому-либо заранее определённому шаблону. Их поведение скорее адаптивное. В природе это также имеет смысл, например, если корни встречают препятствие.

Чтобы выявить фундаментальные принципы развития боковых корней в огромном массиве данных, исследователи объединили методы количественного анализа деления клеток у диких и генетически модифицированных растений (дикий тип и мутанты) с математическим моделированием. Этим занимался их коллега профессор Алексис Майзель из Гейдельбергского университета. Он понял, что развитие бокового корня основано на ограниченном наборе правил, которые учитывают рост и ориентацию клеток. Развитие характерного бокового корня следует принципам самоорганизации, преобладающим в природе. Соавтор исследования Александр Шмитц объясняет недетерминированную часть тем, что развитие органа в результате становится устойчивым: «Таким образом, корни способны развиваться гибко и в то же время контролируемо, несмотря на различное расположение клеток и механические факторы в окружающей ткани».