Растяжение и пролиферация клеток являются самыми элементарными компонентами роста растений, определяющими их конечный размер и форму. Без четкого понимания механизмов роста клеток растяжением нельзя объяснить то, как осуществляется морфогенез растений, поэтому изучение механизмов растяжения клеток является весьма актуальным с фундаментальной точки зрения. С другой стороны, рост клеток растяжением, особенно клеток фотосинтезирующих органов, вносит значительный вклад в продуктивность растений, что делает исследования данного процесса чрезвычайно актуальными с практической точки зрения. Знание механизмов роста клеток растяжением создаст возможности для манипулирования этим процессом с целью увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур. Данная задача становится особенно важной в свете быстрого роста населения планеты и глобальных изменений климата, которые постоянно увеличивают потребность в пище и других продуктах растительного происхождения, одновременно создавая менее благоприятные условия для их производства. В данном контексте выяснение механизма влияния маннанов на рост, обеспечивающий гравитропизм побегов, расширит наши представления об архитектуре первичных клеточных стенок и механизме роста клеток растяжением у высших растений.
Клеточные стенки – жесткие оболочки, окружающие каждую растительную клетку, имеют широкое практическое применение в строительстве и производстве мебели как основной компонент древесины, в изготовлении льняных и хлопчатобумажных тканей, будучи основой волокон растительного происхождения, в производстве биотоплива, являясь преобладающим компонентом биомассы на Земле. Одной из важнейших функций клеточных стенок в растениях является определение скорости роста растительной клетки, которая критически зависит от растяжимости клеточной стенки, т.е. ее способности необратимо растягиваться под влиянием высокого давления, которое поддерживается в клетке. Как регулируется растяжимость клеточной стенки не вполне понятно: мы хорошо знаем состав компонентов стенки, но все еще не имеем полной информации об их точных функциях, характере взаимодействий друг с другом и трехмерной организации. Структуру клеточной стенки часто сравнивают с железобетоном, где роль железной арматуры выполняют жесткие микрофибриллы – агрегаты молекул целлюлозы, которые погружены в более рыхлый матрикс из других углеводных полимеров (гемицеллюлозы, пектины) и небольшого количества структурных белков. В настоящее время рассматривают несколько альтернативных моделей клеточных стенок.
В нашей работе мы пытаемся выяснить функции маннанов – особого класса гемицеллюлоз клеточных стенок – исследуя гравитропизм побегов, т.е. их направленный рост против вектора силы тяжести. Гравитропизм запускается после отклонение побега от вертикали в виде изгиба данного органа за счет большей скорости роста клеток на его нижней стороне по сравнению с верхней. На развитие гравитропического изгиба влияют гибкость полимеров клеточной стенки и их сопротивляемость сжатию (на вогнутой стороне побега) – свойства, которые редко проявляются при других ростовых процессах в растении. Мы обнаружили, что отсутствие маннанов в клеточных стенках тройного мутанта csla2csla3csla9 модельного растения арабидопсиса усиливает гравитропический изгиб его гипокотиля (зародышевый побег). Исследованию механизма такого влияния была посвящена работа по проекту в 2019 г. С другой стороны, добавление в ростовую среду сахарозы и брассиназола - ингибитора биосинтеза фитогормонов брассиностероидов - также усиливает гравитропический изгиб при одновременном снижении содержания в клеточных стенках маннанов. В 2020 и 2021 гг. мы исследовали механизм действия данных агентов на гравитропизм, используя методы биомеханики и метаболомики, пытаясь выяснить, может ли их влияние быть опосредовано маннанами. В результате установили, что влияние отсутствия маннанов на гравитропизм связано с изменением структурной организации полимеров клеточной стенки: гидроксипролинбогатых белков и/или целлюлозы. С другой стороны, важную роль при ускорении гравитропизма побегов под влиянием сахарозы или БРЗ играют белки экспансины, тогда как изменение содержания маннозы не вносит заметный вклад в механизм их действия. По данным метаболомики в формировании гравитропического изгиба побегов участвуют реакции поперечного связывания структурных компонентов клеточных стенок с участием активных форм кислорода.
В настоящем проекте исследовали роль маннанов – минорных гемицеллюлоз первичных клеточных стенок - в механизме роста клеток растяжением, лежащем в основе формирования гравитропического изгиба побегов покрытосеменных растений. Выяснение роли маннанов в росте, опосредующем формирование гравитропического изгиба побегов, представляет особый интерес для понимания эволюции механизмов растяжения клеток в связи с переходом растений от жизни в воде к колонизации суши. Интерес к этой древней группе полисахаридов связан с тем, что их содержание в клеточных стенках постепенно снижалось в ходе колонизации суши водными растениями и последующей эволюции их наземных потомков при одновременном накоплении других гемицеллюлоз, прежде всего, ксилоглюканов. Экспериментальным объектом служили гипокотили этиолированных проростков арабидопсиса. С использованием методов биомеханики и метаболомики исследовали три экспериментальных варианта, в которых усиление гравитропического изгиба гипокотилей происходило на фоне отсутствия маннанов (тройной мутантант csla2csla3csla9) или снижения их содержания в клеточных стенках растений дикого типа, под влиянием сахарозы или брассиназола (БРЗ) - ингибитора биосинтеза фитогормонов брассиностероидов. Установили, что влияние на гравитропизм у csla2csla3csla9 связано с изменением структурной организации полимеров клеточной стенки: гидроксипролинбогатых белков и/или целлюлозы. С другой стороны, важную роль при ускорении гравитропизма побегов под влиянием сахарозы или БРЗ играют белки экспансины, тогда как изменение содержания маннозы не вносит заметный вклад в механизм их действия. По данным метаболомики в формировании гравитропического изгиба побегов участвуют реакции поперечного связывания структурных компонентов клеточных стенок с участием активных форм кислорода.
При сравнении биомеханики гипокотилей гравистимулированных и негравистимулированных проростков Col-0, выращенных в присутствии 0,2 мкМ брассиназола (БРЗ), был выявлен ряд достоверных различий. В частности, в присутствии БРЗ наблюдали большую скорость крипа при рН 5 у гравистимулированных проростков по сравнению с негравистимулированными, что свидетельствует об участии повышенного уровня экспансинов в формировании усиленного гравитропического изгиба гипокотилей. Кроме того, в присутствии БРЗ обнаружили значимо большую скорость крипа гравистимулированных проростков по сравнению с негравистимулированными при рН 6. Данный эффект свидетельствует о том, что определенный вклад в опосредованное БРЗ усиление гравитропизма гипокотилей могут вносить белки клеточных стенок, имеющие оптимум рН около 6,0, такие как, например, XTH. Эффект БРЗ на биомеханику клеточных стенок Col-0 не имеет сходства с изменениями, наблюдающимися у мутанта csla2csla3csla9. Таким образом, данные биомеханики ставят под сомнение наше предположение о том, что снижение уровня маннанов в клеточных стенках проростков Col-0 в присутствии БРЗ вносит существенный вклад в механизм действия БРЗ на гравитропизм побегов.
При метаболомном анализе проростков арабидопсиса Col-0, выращенных в присутствии брассиназола (БРЗ), в каждом из проанализированных вариантов выявлялось не менее 50 метаболитов. Существенные перестройки метаболизма гипокотилей, вызванные БРЗ, по-видимому, маскировали более тонкие изменения, обеспечивающие больший гравитропический изгиб в присутствии брассиназола. Характерной особенностью влияния БРЗ было изменение уровня ряда сахаров, входящих в состав полимеров клеточной стенки. В частности наблюдали увеличение содержания арабинозы и ксилозы, а также снижение уровня галактуроновой кислоты. Кроме того, изменялось содержание рибозы, фруктозы и фруктозо-6-фосфата - важных промежуточных соединений в метаболизме углеводов. Также обращает на себя внимание увеличение уровня гидроксипролина и пролина, свидетельствующее о том, что в присутствии БРЗ, по-видимому, происходят изменения структурных белков клеточной стенки. При сравнении состава метаболитов маннандефицитного мутанта csla2csla3csla9 и проростков Col-0, выращенных в присутствии БРЗ (Таблица 3), обнаружили только два метаболита – гидроксипролин и рибозу, содержание которых достоверно изменялось в обоих вариантах. Однако направленность изменений уровня гидроксипролина и рибозы была противоположной у csla2csla3csla9 и Col-0, выращенного в присутствии БРЗ. Таким образом, данные метаболомики также не поддерживают наше предположение о том, что снижение уровня маннанов является важной частью механизма, посредством которого БРЗ стимулирует гравитропизм гипокотилей арабидопсиса.
Усиление гравитропизма гипокотилей арабидопсиса брассиназолом - ингибитором биосинтеза фитогормонов брассиностероидов - было связано с увеличением в клеточных стенках уровня белков экспансинов и, возможно, ферментов с оптимумом активности около рН 6, но не было опосредовано снижением содержания маннанов.
Суслов Д.В., с.н.с., исследования биомеханики (90%), метаболомные исследования (20%);
Пожванов Г.А., н.с. метаболомные исследования (80%);
Липчинский А.А., инженер, исследования биомеханики (10%).
| Short title | Новая функция маннанов |
|---|
| Acronym | RFBR_a_2019 - 3 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 23/03/21 → 28/12/21 |
|---|
