Wissenschaftler haben herausgefunden, dass neue Pflanzenzellwände im Vergleich zu den umgebenden Zellwänden der Eltern deutlich andere mechanische Eigenschaften aufweisen können, wodurch Zellen ihre lokale Form ändern und das Wachstum von Pflanzenorganen beeinflussen können.
Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler die Mechanik mit dem „Alter“ der Zellwand in Verbindung bringen. Dies wurde nur durch eine neue Methode ermöglicht, die dieselben Zellen über die Zeit und durch aufeinanderfolgende Teilungsrunden verfolgt.
Die Cambridge-Forscher konnten die Bildung neuer Wände beobachten und anschließend deren mechanische Eigenschaften messen. Diese bahnbrechende Arbeit zeigte, dass neue Zellwände in einigen Pflanzen 1,5-mal steifer sind als die umgebenden Zellwände der Eltern – ein unerwarteter und überraschender Befund.
Die Größe und Form pflanzlicher Organe wie Blätter und Blüten ist das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Genetik, Signalen, mechanischer Rückmeldung und Umwelteinflüssen. Obwohl wir beim Verständnis dieser Prozesse große Fortschritte gemacht haben, ist es nicht immer einfach, einen Zusammenhang zwischen dem, was auf zellulärer Ebene geschieht, und dem, was auf der Organebene geschieht, herzustellen.
Untersuchungen an zwei entfernt verwandten Pflanzenarten am Sainsbury Laboratory der Cambridge University (SLCU) liefern neue Beweise dafür, dass die Zellteilung auf lokaler Ebene eine aktive Rolle bei der Kontrolle der Organgröße spielt. Das interdisziplinäre Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen drei SLCU-Forschungsteams (Robinson Group, Schornack Group und Jönsson Group) und dem SLCU Microscopy Facilities Team und vereinte Fachwissen in experimenteller Biomechanik, Genetik, Bildgebung und Computermodellierung.
Durch die Kombination fortschrittlicher Live-Mikroskopie-Bildgebung einzelner Zellen, fortschrittlicher Methoden zur Materialcharakterisierung und mathematischer Modellierung hat die Forschungsgruppe von Sarah Robinson herausgefunden, dass der Prozess der Zellteilung die mechanischen Eigenschaften des wachsenden Gewebes lokal verändert, was sich möglicherweise auf die endgültige Form und Größe des Gewebes auswirkt Pflanzenorgan. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Im Vergleich zu tierischen Zellen sind Pflanzenzellen von einer starren Hülle umgeben – der Zellwand. Bei der Zellteilung entstehen neue Zellwände, die die mechanische Belastung in der Zelle, ihre Geometrie und die mechanischen Eigenschaften des umgebenden Gewebes verändern.
Wissenschaftler konnten die mechanischen Eigenschaften einzelner Zellwände in der äußeren Zellschicht eines Pflanzenorgans untersuchen, wussten jedoch nicht, wie alt jede Wand ist, und konnten nur vermuten, ob sie sich gerade geteilt hatte. Alessandra Bonfanti, die erste Autorin des Artikels, ehemalige Forscherin der Robinson Group und jetzt wissenschaftliche Mitarbeiterin am Politecnico di Milano, verfolgte Zellen im Laufe der Zeit und konnte die Bildung neuer Wände beobachten und war daher in der Lage, die Mechanik mit dem „Alter“ der Zellwände in Verbindung zu bringen.
Dr. Bonfanti entwickelte ein Protokoll, das Zeitverlaufsbildgebung mit Rasterkraftmikroskopie-Messungen (AFM) kombiniert, um Alter, Wachstum und mechanische Eigenschaften (Steifheit) einzelner Zellwände systematisch abzubilden und dieselben Zellwände durch aufeinanderfolgende Teilungsrunden zu verfolgen.
„Wir wissen seit einiger Zeit, dass die Zellwand ein hochdynamisches Material ist. Neues Material wird während der Zellteilung hinzugefügt, während die mechanischen Eigenschaften der Zellwand während des Wachstums moduliert werden, damit die Wände erhebliche Form- und Größenänderungen durchlaufen können, ohne zu brechen“, sagt Dr . sagte Bonfanti. „Doch wie sich die mechanischen Eigenschaften neuer Zellwände vorübergehend in Raum und Zeit ändern, war noch unbekannt, bis wir ein neues Protokoll entwickelten, das es uns ermöglichte, die mechanischen Eigenschaften von Zellwänden über die Zeit zu messen.“
„Wir haben dieses Protokoll verwendet, um zu untersuchen, wie die Steifheit neu gebildeter Zellwände 24 und 48 Stunden bis zu ihrem Reifestadium variiert und wie sich dies auf die lokalen Zellformen auswirkt“, sagte Dr. Bonfanti. „Dazu haben wir zwei Systeme genutzt: Gemmae des Leberblümchens Marchantia polymorpha und das erste echte Blatt im Frühstadium von Arabidopsis thaliana.“
Die Zellen im jungen Gewebe der beiden untersuchten Pflanzenarten hatten zunächst eine ähnliche quadratische Geometrie, was sie zu guten Vergleichsmodellen machte.
„Wir haben zunächst das Wachstums- und Zellteilungsmuster bei M. polymorpha gemmae charakterisiert, was in der Literatur noch unklar war“, sagte Dr. Bonfanti. „Dann haben wir mit den optomechanischen Messungen unter Verwendung von Zeitverlaufsaufnahmen in Kombination mit AFM-Messungen gezeigt, dass die Zellteilung bei M. polymorpha gemmae zur Bildung einer vorübergehend steiferen und langsamer wachsenden neuen Wand führt. Im Gegensatz dazu fehlt dieses vorübergehende Phänomen bei.“ A. thaliana verlässt.
Tatsächlich wurden die neuen Zellwände in M. polymorpha 1,5-mal steifer als die Zellwände der Eltern.
„Wir haben gezeigt, dass es erhebliche Unterschiede in der Steifheit neuer Zellwände im Vergleich zu den Elternwänden gibt und dass diese Unterschiede zur Geometrie und zum Wachstum der Zelle beitragen“, sagte Gruppenleiter Dr. Robinson. „Dies deutet darauf hin, dass die Zellteilung und ihre unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften die Geschwindigkeit der Gewebeausdehnung verändern und sich auf die endgültige Organgröße auswirken könnten.“
Dr. Robinson erklärte die Bedeutung der Entdeckung: „Wir wussten bereits, dass sich Zellwände lockern und weicher werden, wenn Zellen wachsen, da sich die Wände dehnen müssen, damit sich die Zellen beim Wachsen ausdehnen können. Aber wir wussten nicht, was passieren würde, wenn a.“ Zellteilungen und welche Eigenschaften würde die resultierende neue Zellwand haben. Wären sie gleich oder unterschiedlich zu den Wänden im umgebenden Gewebe und wie würde sich dies auf das Zellwachstum auswirken?“
„Die Tatsache, dass die neuen Zellwände viel steifer sind, führt dazu, dass das Organwachstum eingeschränkt wird, da es das Wachstum behindert und die Form der einzelnen Zellbestandteile beeinflusst.“
„Die M. polymorpha-Zellen ändern auch ihre Geometrie und entwickeln schneller einen Verbindungswinkel von 120°, um Zellgeometrien zu bilden, die näher an sechseckigen Formen liegen, die als die effizientesten Formen im Hinblick auf die Bildung eines Materials zur Abdeckung einer Fläche gelten.“ Die rechnerische Modellierung Die in diesem Projekt von Euan Smithers und Ross Carter durchgeführten Untersuchungen lieferten den Beweis, dass das Vorhandensein einer steifen neuen Wand die Bildung dieser 120°-Winkel beschleunigt.“
„Es ist wichtig zu wissen, dass sich die neue Zellwand von der Elternwand unterscheiden kann, und das wirft neue Fragen auf, die es zu erforschen gilt: Ist das immer der Fall, unter welchen Bedingungen und warum ist das der Fall?“
Mehr Informationen:
Alessandra Bonfanti et al.: Steifheitsübergänge in neuen Wänden nach der Zellteilung unterscheiden sich zwischen Blättern von Marchantia polymorpha gemmae und Arabidopsis thaliana. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2302985120. doi.org/10.1073/pnas.2302985120