Здавалося б, безладне розташування клітин у рослинних тканинах може бути не таким хаотичним. Нове дослідження Корнельського університету розкриває приховану логіку, що стоїть за цією картатою неоднорідністю, припускаючи захоплюючу взаємодію випадковості та росту, яка формує складні візерунки листя та квітів.
Робота, опублікована в журналі PLOS Biology, досліджує, як гігантські клітини, значно більші за своїх сусідів, створюють мозаїчні візерунки на поверхні листя. Ці «гіганти» виникають у результаті процесу, що називається ендодуплікацією, під час якого ДНК реплікується багато разів без поділу клітини. Раніше вчені не знали, чи з’явилися ці гігантські клітини випадково чи за передбачуваною схемою.
Використовуючи зображення з високою роздільною здатністю та складні комп’ютерні моделі, дослідницька група під керівництвом Френсіс К. Кларк і Адріан Редер виявила, що, хоча початкове утворення гігантських клітин виглядає випадковим, їхнє подальше групування відбувається в міру росту та розширення тканин. Подумайте про це як про розсіювання насіння: спочатку вони здаються випадковими. Але коли рослини ростуть і простір стає обмеженим, закономірно починають формуватися візерунки.
Цей процес упорядкування не визначається безпосереднім зв’язком між клітинами, а виникає внаслідок спільної дії росту та випадковості. Коли нові клітини діляться навколо цих спочатку випадкових гігантських клітин, геометрія тканини змінюється, перетворюючи хаос на структуровану мозаїку.
Генетичні архітектори розміру клітини
Дослідження виявило чотири ключові гени – ACR4, ATML1, DEK1 і LGO, які діють як архітектори розміру клітин у рослинних тканинах. Збільшення активності LGO призводило до появи більшої кількості гігантських клітин, а збільшення ATML1 або LGO збільшувало їх загальну площу. Примітно, що ці гени дають різні результати залежно від конкретної тканини, де вони працюють. Гігантські клітини з’явилися на обох поверхнях листків, але лише на нижній стороні оцвітини (пелюсткоподібні структури, що оточують квітку).
Для подальшого підтвердження цієї моделі дослідники співпрацювали з вченими з Інституту селекції рослин імені Макса Планка в Німеччині. Разом вони створили комп’ютерне моделювання, в якому доля кожної клітини випадковим чином визначалася коливаннями рівнів ATML1, імітуючи біологічну систему без прямої взаємодії між клітинами. Результати, отримані за допомогою цієї моделі, надзвичайно точно повторюють закономірності, що спостерігаються в реальних рослинних тканинах.
За межами рослин: наслідки для дизайну та біології
Результати виходять за межі рослинного світу та дають ширше розуміння того, як порядок може виникати із, здавалося б, випадкових початків у різних біологічних системах. Цей принцип має значні наслідки для таких галузей, як синтетична біологія, де дослідники прагнуть створити складні структури з мінімальною координацією. Використовуючи принципи, відкриті в цьому дослідженні, вчені потенційно можуть створювати тканини рослин або навіть абсолютно нові біологічні системи з більшою точністю та ефективністю.
«Випадковість — це не хаос, а фундаментальний будівельний блок», — пояснює Адрієн Редер. «Він взаємодіє з динамікою зростання, створюючи життєво важливі життєво важливі моделі». Елегантна простота цього принципу підкреслює, скільки нам ще належить дізнатися про приховані механізми, які контролюють організацію самого життя.
