Выявлен механизм клеток листьев растений для эффективного фотосинтеза
Для растений листья играют важную роль, обеспечивая максимальную площадь для захвата солнечного света для фотосинтеза. Доктор Эмануэле Скаччи и профессор Марья Тиммерманс из Центра молекулярной биологии растений Университета Тюбингена вместе с международной командой сейчас обнаружили, какие генетические механизмы контролируют рост листьев в плоскую структуру, способную эффективно захватывать солнечный свет.
Встроенная система GPS информирует каждую клетку о ее относительном положении в растущем листе. Порядок соответствует биологическому концепту самоорганизации, предсказанному знаменитым математиком Аланом Тьюрингом.
Когда клетки делятся и умножаются, обычно образуется скопление клеток. Нас интересовало, как в случае листа деление клеток приводит к образованию большой плоской поверхности. Для этого команда математиков и экспериментальных биологов совместно отслеживала процессы, используя компьютерные модели, методы молекулярной генетики и методы изображения на живых организмах. "Основой такого формирования узоров является полярность; то есть способность различать, в данном случае, верх и низ. Обычно она создается концентрационным градиентом вещества, называемого морфогеном, который низок с одной стороны и выше с другой.
Команда обнаружила, что "маленькие РНК" играют решающую роль в контроле роста листьев. Как подвижные посыльные, они используются для коммуникации между клетками и помогают клеткам воспринимать свое относительное положение друг к другу в структуре, подобно GPS. Кроме того, маленькие РНК передают информацию, которая координирует активацию или ингибицию генов на верхней и нижней стороне, чтобы дать листу правильную форму и функцию.
Этот регуляторный механизм работает автономно в растущем листе. Тьюринг предположил, что простое взаимодействие между определенными молекулами в клетках живых организмов может привести к формированию сложных узоров, таких как пятна на мехе леопарда или полосы на зебре.
Ученые обнаружили механизм, контролируемый маленькими РНК, который соответствует концепции Тьюринга формирования узора через самоорганизацию. В этом случае самоорганизация означает генетически управляемое поведение клеток, которые ведут себя единообразно, подобно стае птиц, формируя коллективное поведение для создания правильного узора и плоской структуры листа.
Активность генов координируется между клетками таким образом, что каждый лист разделен на четко определенные верхнюю и нижнюю части, которые формируют идеально плоское полотно для фотосинтеза. Такой самоорганизующийся механизм по Тьюрингу может адаптировать активность генов к внутренним и внешним возмущениям во время развития листа, так что форма листа может быть однородной, несмотря на радикальные изменения в окружающей среде.
Ученые расшифровали основные механизмы, с помощью которых маленькие РНК обеспечивают самоорганизующиеся генетические процессы. Теперь они смогут исследовать, как человек может модифицировать и использовать эти биологические функции. В условиях растущего глобального спроса на продовольствие нам нужны оптимизированные культуры с высокими урожаями, устойчивые к стрессовым факторам, таким как глобальное потепление.
