Wissenschaftler des Nara Institute of Science and Technology (NAIST) haben die Theorie der elastischen Schalen verwendet, um zu beschreiben, wie die Steifheit pflanzlicher Zellwände von ihrer Elastizität und ihrem inneren Turgordruck abhängt. Durch den Einsatz von Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit Finite-Elemente-Computersimulationen konnten sie zeigen, dass die Zellsteifigkeit sehr empfindlich auf den inneren Turgordruck reagiert.
Zwiebelschalen unter dem Mikroskop betrachtet, werden sich viele Menschen gerne an ihre Schulzeit erinnern. Während die einzelnen Zellen damals wie einfache Rechtecke wirkten, spiegelt die Stabilität von Pflanzenzellen komplexe Kombinationen von Kräften wider. Pflanzenzellen haben neben der tierähnlichen Zellmembran auch eine starre Zellwand, die für strukturelle Integrität sorgt. Turgor, also die normale Starrheit der Zellen aufgrund des Drucks ihres Inhalts, ist auch ein kritischer Faktor für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts mit der Umwelt. Zu wenig Druck kann dazu führen, dass die Zelle schrumpft. Zellen können ihren Turgordruck osmotische Flüsse regulieren, die dazu neigen, die Salzkonzentrationen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Wand auszugleichen. Die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften von Pflanzenzellen bleiben jedoch nebulös. Beispielsweise macht es die alleinige Verwendung von AFM zur Bestimmung der Steifigkeit aus der Zellwandverformung schwierig, die Beiträge von der Spannung der Zellwand, der Zellgeometrie und dem Turgordruck zu trennen.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von NAIST Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, um eine neue Formel zu verifizieren, die auf der Theorie der elastischen Schalen basiert. Dies ermöglichte es ihnen, die scheinbare Steifheit zu interpretieren, die mit AFM beobachtet wurde. Das Team untersuchte Epidermiszellen von Zwiebeln, die ein Modellsystem zum Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Pflanzenzellen darstellen. „Ein Blick auf die Kraft-gegen-Eindruck-Daten deutete darauf hin, dass die Standardgleichungen nicht ausreichten, um die scheinbare Steifigkeit von Pflanzenzellen zu interpretieren“, sagt der leitende Autor Yoichiroh Hosokawa.
Basierend auf den FEM-Simulationen wurde gezeigt, dass die Gleichung der Elastic Shell Theory die AFM-Reaktion der Zwiebelzellen besser beschreibt als das herkömmliche Modell, das für Objekte ohne internen Turgordruck verwendet wird. Darüber hinaus deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die durch den Turgordruck verursachte Spannung die Zellsteifigkeit reguliert, die durch geringfügige Änderungen in der Größenordnung von 0,1 Megapascal modifiziert werden kann. „Unsere theoretische Analyse ebnet den Weg für ein vollständigeres Verständnis der Kräfte, die einer Pflanzenzelle innewohnen“, sagt Hosokawa.
Die Arbeit trägt dazu bei, unser Verständnis von Steifigkeit für lebende Systeme zu verallgemeinern. Dieses Wissen kann dazu beitragen, dass Pflanzen auch in Stresssituationen, wie zum Beispiel in Zeiten von Wassermangel, ihre Struktur behalten.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte.
Satoru Tsugawa et al., Elastic Shell Theory for Plant Cell Wall Steifheit zeigt Beiträge der Zellwandelastizität und des Turgordrucks bei der AFM-Messung, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-16880-2
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