Казалось бы, случайное расположение клеток в растительных тканях может оказаться не таким уж хаотичным. Новые исследования Корнеллского университета раскрывают скрытую логику за этой клетчатой разнородностью, предполагая увлекательное взаимодействие случайности и роста, которое формирует сложные узоры листьев и цветков.
Опубликованная в журнале PLOS Biology эта работа исследует, как гигантские клетки – значительно более крупные, чем их соседи – способствуют возникновению мозаичных рисунков на поверхности листьев. Эти «гиганты» возникают в результате процесса, называемого эндодуплицированием, при котором ДНК многократно реплицируется без деления клетки. Ранее ученые не знали, появляются ли эти гигантские клетки случайным образом или следуют предсказуемой модели.
Используя высокоразрешающую визуализацию и сложные компьютерные модели, исследовательская группа под руководством Фрэнсис К. Кларк и Адрианн Родер обнаружила, что хотя первоначальное формирование гигантских клеток действительно кажется случайным, их последующая группировка возникает по мере роста и расширения тканей. Представьте это как рассеивание семян: сначала они кажутся беспорядочно разбросанными. Но когда растения растут, а пространство становится ограниченным, естественным образом начинают формироваться узоры.
Этот процесс упорядочивания не определяется прямым общением между клетками, а возникает из-за совместного действия роста и случая. По мере того как новые клетки делятся вокруг этих первоначально случайных гигантских клеток, геометрия ткани изменяется, превращая хаос в структурированную мозаику.
Генетические архитекторы размера клетки
Исследование выявило четыре ключевых гена – ACR4, ATML1, DEK1 и LGO – которые действуют как архитекторы размера клеток в растительных тканях. Увеличение активности LGO приводило к появлению большего количества гигантских клеток, а усиление ATML1 или LGO увеличивало их общую площадь. Замечательно то, что эти гены дают различные результаты в зависимости от конкретной ткани, где они работают. Гигантские клетки появлялись на обеих поверхностях листа, но только на нижней стороне околоцветников (лепесток-подобных образований, окружающих цветок).
Чтобы дальнейшее подтвердить эту модель, исследователи сотрудничали с учеными из Института Макса Планка по селекции растений в Германии. Вместе они создали компьютерную симуляцию, в которой судьба каждой клетки случайным образом определялась колебаниями уровней ATML1, имитируя биологическую систему без прямого взаимодействия клетка-клетка. Результаты, полученные в этой модели, удивительно точно повторяли те узоры, которые наблюдались в реальных растительных тканях.
Помимо растений: последствия для дизайна и биологии
Результаты выходят за рамки мира растений и предоставляют более широкое понимание того, как порядок может возникать из кажущихся случайными начал в различных биологических системах. Этот принцип имеет значительные последствия для таких областей, как синтетическая биология, где исследователи стремятся проектировать сложные структуры с минимальной координацией. Используя принципы, открытые в этом исследовании, ученые могли бы потенциально спроектировать растительные ткани или даже совершенно новые биологические системы с большей точностью и эффективностью.
«Случайность – это не хаос, а фундаментальный строительный блок», — объясняет Адрианн Родер. «Она взаимодействует с динамикой роста, чтобы создавать сложные узоры, которые являются жизненно необходимыми». Элегантная простота этого принципа подчеркивает то, насколько много мы еще должны узнать о скрытых механизмах, управляющих организацией жизни самой по себе.
