13.10.2015

Формирование древесины рассмотрели под микроскопом

Международная группа ученых с помощью комбинированных методов сконструировала арабидопсис, у которого в поверхностном слое клеток начала формироваться вторичная клеточная стенка — основной компонент древесины. Это позволило воочию наблюдать за ее развитием, что прежде было невозможно, ведь древесина развивается во внутренних слоях растительных стеблей или корней. Ученые измерили скорость процесса и определили его необходимые слагаемые и их локализацию в клетке.

В растительной клетке, как правило, различаются три оболочки: тонкая клеточная мембрана (она имеется всегда) и две клеточные стенки — первичная и вторичная (рис. 1). В ходе роста и специализации на поверхности мембраны, сначала формируется первичная стенка, а затем и вторичная. Хотя, арматурная основа обеих стенок одинакова — это микрофибриллы длинных молекул целлюлозы, — структура стенок различается.

Первичная стенка состоит из разнонаправленных микрофибрилл целлюлозы, соединенных мостиками гликанов, пектинов, гемицеллюлоз; в ней много воды, так как пектиновые соединения гидрофильны. Вторичная стенка состоит по большей части из упорядоченных слоев микрофибрилл, которые организованы параллельно протянутыми тяжами микрофибрилл. При этом направление тяжей в слоях может различаться (рис. 2).

Все растения — от зеленых водорослей до баобабов (а вместе с ними и вся продукция из древесины) — приобретают жесткую форму благодаря вторичным клеточным стенкам, которые и составляют большую часть биомассы наземных растений. При этом, что удивительно, до сих пор никто не наблюдал, как эта стенка формируется. О ее росте судили по косвенным признакам. Впрочем, это отчасти понятно: вторичная клеточная стенка не характерна для наружных растительных клеток, на которые можно было бы посмотреть в микроскоп.

С этим препятствием блестяще справились генетики и ботаники из Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада), Стэнфордского университета (Стэнфорд, США), Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) и Института науки и технологии (Нара, Япония). С помощью генетической инженерии они заставили поверхностные клетки арабидопсиса (резуховидки Таля, лат. Arabidopsis thaliana) формировать вторичную стенку. После этого отснять процесс развития этой стенки стало лишь делом техники. Правда, техники весьма изощренной.

Известно, что синтез микрофибрилл целлюлозы в клеточной мембране запускается специальным ферментным комплексом, состоящим из молекул целлюлозосинтазы (Cellulose synthase) — шести белковых субъединиц, сложенных по шесть в специальные розетки (рис. 3).

У арабидопсиса различают 10 изоформ целлюлозосинтазы: CESA1–CESA10. Из этих десяти изоформ, три принимают участие в построении только первичной клеточной стенки (это изоформы с номерами 1, 3, 6) и три — только вторичной (изоформы с номерами 4, 7, 8). Ученые вставили в растение управляемый фитогормонами регулятор развития ксилемы (древесины). Затем скрестили это растение с другим, у которого CESA7 была помечена зеленой флуоресцентной меткой. В результате, получился гибрид, который начинал при воздействии гормона формировать характерную для ксилемы вторичную клеточную стенку во всех клетках, в том числе и в поверхностном слое, и при этом розетки целлюлозосинтазы светились зеленым цветом. Весь процесс можно было теперь наблюдать в конфокальный микроскоп.

И даже не просто наблюдать, а оценить скорость процесса, так как живые клетки полученного гибрида позволяли в режиме реального времени отследить судьбу отдельной терминальной розетки (см. первое видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье, на котором красные стрелки указывают на движение отдельных розеток). Скорость продвижения каждого отдельного ферментного комплекса вдоль клеточной мембраны, соответствовала скорости роста микрофибриллы. Расчеты показали, что скорость роста микрофибрилл целлюлозы во вторичной клеточной стенке заметно выше, чем в первичной. Кроме того, ферментные комплексы, формирующие вторичную клеточную стенку, расположены плотнее — а потому и плотность микрофибрилл вторичной стенки получается более высокой.

На фото и видео можно проследить маршрут CESA7. Этот фермент скапливается в пузырьках аппарата Гольджи и ограниченных клеточных компартментах; затем скопления перемещаются вдоль пучков микротрубочек к клеточной мембране, там останавливаются и встраиваются в нее. Разрушение микротрубочек оризалином (Oryzalin) при этом не снизило скорости синтеза целлюлозы. Наблюдения не только подтвердили участие конкретных клеточных органелл в синтезе вторичной клеточной стенки, но и позволили даже составить приблизительное расписание этого движения — на какие действия сколько времени уходит.

Эта визуализация важного во всех отношениях клеточного механизма, дает в руки ученым и технологам изящный инструмент для управления процессом синтеза древесины. А уж как они этим инструментом воспользуются, покажет будущее.

Источник: Y. Watanabe, M. J. Meents, L. M. McDonnell, S. Barkwill, A. Sampathkumar, H. N. Cartwright, T. Demura, D. W. Ehrhardt, A. L. Samuels, S. D. Mansfield. Visualization of cellulose synthases in Arabidopsis secondary cell walls // Science. 2015. V. 350. P. 198–203.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru