Случайность создает порядок в растительном мире

Исследователи из Корнеллского университета обнаружили, что хаотические процессы лежат в основе формирования упорядоченных клеточных структур у растений. Исследование, опубликованное в журнале PLOS Biology, показывает, как случайность и рост совместно создают поразительные клеточные узоры, формирующие органы растений.

Изменения размеров и расположения клеток в одном листе арабидопсиса на разных стадиях роста. Автор: Cornell University

Команда под руководством Фрэнсис К. Кларк обнаружила, что один и тот же генетический путь, производящий «гигантские» клетки в защитном слое, покрывающем цветки арабидопсиса, также определяет мозаику размеров клеток в листьях. Это говорит об общей логике развития, сочетающей случайность и самоорганизацию.

Как гигантские клетки создают узоры листьев

Под микроскопом поверхность листа напоминает головоломку из неправильных форм. Среди них выделяются защитные клетки-«гиганты», площадь которых в среднем в шесть раз больше соседних. Эти клетки возникают в результате эндоредупликации — многократного копирования ДНК без деления клетки.

Используя высокоточную визуализацию и компьютерное моделирование, исследователи обнаружили, что гигантские клетки изначально появляются случайным образом, но по мере роста тканей формируют кластерные структуры.

Гигантские клетки (розовые) в кластерах, окруженные более мелкими растительными клетками (зеленые и синие). Автор: Cornell University

«Это похоже на разбрасывание семян, — объяснила Кларк. — Вы начинаете со случайности, но по мере роста сада узоры естественным образом проявляются».

Генетическая основа размера клеток

Ученые идентифицировали четыре гена — ACR4, ATML1, DEK1 и LGO, — которые совместно определяют, когда и где клетки становятся гигантскими. Повышение уровня LGO увеличивало количество гигантских клеток, а усиление ATML1 или LGO расширяло занимаемую ими площадь.

Компьютерная модель, в которой судьба каждой клетки определялась случайными колебаниями уровня ATML1 без межклеточной коммуникации, успешно воспроизвела кластерные узоры, наблюдаемые в реальных тканях.

«Порядок возникает из случайности — не вопреки ей, а благодаря ей», — заявила профессор Адриенна Родер.

Широкие биологические последствия

Большинство биологических систем формирования узоров — от полос у животных до волосков у растений — зависят от сигналов между соседними клетками. Однако исследование показывает, что сам рост может быть организующей силой.

Понимание того, как клетки самоорганизуются без прямой коммуникации, может вдохновить новые стратегии инженерии растительных тканей или проектирования синтетических биологических систем, способных достигать сложных структур с минимальной координацией.

«Случайность — не противоположность порядку, — заключила Родер. — Это одна из сил, которая вместе с ростом создает сложные и функциональные узоры, которые мы видим в природе».