Исследователи из Университета штата Вашингтон сделали открытие, которое можно сравнить с «большим взрывом» растительной жизни: они впервые описали сигнальный механизм, запускающий формирование клеточной стенки — ключевой структуры растений. Результаты работы опубликованы в сборнике PNAS.
Клеточная стенка — это не просто оболочка. Она защищает клетку, придает форму, содержит важные питательные вещества и участвует во внешнем обмене.
Главная загадка заключалась в том, как клетка «понимает», что часть ее внутреннего содержимого должна стать внешней структурой. Теперь ученые нашли ответ: существует специальный сигнальный путь, который буквально «переключает» внутренние компоненты в режим строительства стенки.
Модельным организмом стала хорошо знакомая всем интересующимся биологией резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Используя комбинацию редактирования генов и визуализации живых клеток, исследователи идентифицировали ранее нехарактерный сигнальный модуль, состоящий из двух белков, участвующих в передаче клеточных сигналов: рецепторподобной киназы меристемы соцветия (inflorescence meristem receptor-like kinase), который присутствует в двух вариациях: IMK2 и IMK3.
Модуль IMK2-IMK3 выполняет несколько функций, которые приводят к созданию клеточной стенки. Рецепторы играют ключевую роль в процессе деления клеток по мере роста растений. Когда клетка делится на дочерние клетки, многие сигналы внутри клетки взаимодействуют, чтобы начать посылать белки и другие строительные блоки в крошечные мешочки-везикулы в различные участки клеточной пластинки, стимулируя ее развитие. Это включает в себя отложение полисахаридов, которые составляют основу клеточной стенки.
От микромира к урожаю и топливу
Открытие важно не только для фундаментальной науки. Оно может изменить подход к созданию более ценных в питательном плане сельскохозяйственных растений и даже к производству биотоплива.
Ученые обнаружили, что в клеточную стенку направляются особые «энергетические грузы» — вещества с высокой питательной ценностью. Управляя этим процессом, можно потенциально совершенствовать полезные свойства сельскохозяйственных культур.
Формирование клеточной стенки — один из ключевых этапов эволюции растений. Такие структуры позволили организмам обрести жесткость, выживать после перехода из океана на сушу и развивать сложные формы.
Современная наука считает, что первые клетки были крайне простыми и не имели сложных оболочек, а переход к более организованным структурам стал важнейшим шагом в развитии жизни на Земле.
Интересные факты
Исследования происхождения жизни показывают, что первые клетки возникли около 4 млрд лет назад и были намного проще современных.
Клеточные стенки есть не только у растений, но и у бактерий и грибов — однако их состав сильно различается.
У растений стенка состоит в основном из целлюлозы — самого распространенного биополимера на планете.
Главным компонентом бактериальной клеточной стенки является пептидогликан (муреин), представляющий собой гетерополимер из N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитых пептидными мостиками.
У клеток грибов стенки состоят на 80–90% из полисахаридов (хитин, глюканы, маннаны). В основе лежит хитин-глюкановый комплекс, придающий прочность, а внешний слой часто содержит маннопротеины и пигменты. В отличие от растений, оболочка не содержит целлюлозы, а вместо нее использует хитин, родственный материалу панцирей членистоногих.
Похожие механизмы самоорганизации клеток могут помочь в создании искусственной жизни и биоматериалов будущего.
Чтобы сформировать клеточную стенку, клетка должна «осознать», что нечто внутреннее должно стать внешним. Это, в двух словах, то, что мы обнаружили: сигнальный путь, который позволяет клеткам определять, что этот внутриклеточный компартмент становится внеклеточным — частью пластинки. Прямо сейчас из бутонов появляются новые листья. Бутоны содержат все клетки, необходимые для формирования листа. Но его «изготовление» пойдут миллиарды клеточных пластинок, которые синтезируются последовательно, еще до того, как вы заметите, что бутон распускается. С моей точки зрения, это просто прекрасный процесс: миллиарды клеток ведут себя согласованно, чтобы произвести листья для каждого растения «по заранее утвержденному плану».
Андрей Смертенко
Недавно стало известно, что в Китае вывели суперпшеницу, которую не берут патогенные грибки.
Источник: hi-tech.mail.ru