Przekształcanie komórek roślinnych poprzez geometrię oraz wpływ na rozwój rośliny i organizację tkanek Niemal wszystko, co jemy, pochodzi od roślin, czy to bezpośrednio, czy pośrednio. Unijni badacze próbują znaleźć sposób na zwiększenie wydajności upraw bez manipulacji genetycznej. Żywność i zasoby naturalne © Pauline Durand-Smet Aby uprawiać najlepsze i zawierające najwięcej składników odżywczych rośliny w glebie dalekiej od ideału, a także móc ograniczyć zależność od nieorganicznych nawozów i pestycydów, trzeba zrozumieć, w jaki sposób rośliny rosną. Na rośliny działa ogrom czynników fizycznych: na przykład zagęszczenie gleby i narażenie na działanie wiatru. Jednak rośliny mogą być w stanie dostosowywać się na potrzeby optymalnego wzrostu. Wystarczy wiedzieć, w jaki sposób hodowcy i rolnicy mogą aktywować tę reakcję. Wyniki o daleko idących skutkach Cytoplazma komórki roślinnej nie jest tylko kupką galaretki, jej kształt podtrzymują dwa główne białka cytoszkieletowe: aktyna oraz mikrotubule. Pomagają one komórkom utrzymać ich kształt. Co ciekawe, cytoszkielet jest przy tym wysoce dynamiczny. „Głównym celem projektu PlantCellMech było opracowanie eksperymentalnego podejścia do kontrolowania kształtu pojedynczej komórki roślinnej oraz pomiaru znaczenia geometrii komórki dla określania organizacji cytoszkieletu”, opowiada Pauline Durand-Smet, stypendystka programu „Maria Skłodowska-Curie”. Pauline Durand-Smet wykorzystała mikrolitografię, aby wyprodukować zestaw niewielkich form silikonowych o okrągłym, kwadratowym, prostokątnym i trójkątnym kształcie, aby w takich ustalonych ramach geometrycznych umieścić komórki roślinne bez ściany komórkowej (protoplasty). Każdą formę wykorzystano do wytworzenia arkusza agaru z mikropłytkami o precyzyjnie dobranej wielkości, z których każda pomieści pojedynczy protoplast roślinny. Dzięki modelowaniu trójwymiarowemu badacze ujawnili, że zasada geometrii wystarczy, by wyjaśnić zaobserwowaną organizację mikrotubuli kontrolującą dopasowanie sieci mikrotubuli. Wykazali oni również, że aktyna organizuje się podobnie do mikrotubuli w wydłużonych kształtach. Zastosowanie leków zmieniających polimeryzację białek cytoszkieletu ujawniło, że organizacja aktyn w odpowiedzi na geometrię zależy od mikrotubuli, ale nie odwrotnie. Eksperymenty z komórkami zawierającymi zmodyfikowane kataniny również potwierdziły, że rozłączanie białek jest ważne dla dobrze dopasowanej organizacji mikrotubuli w odpowiedzi na zmianę kształtu. Kontrolowanie napięć podczas eksperymentów „Brak możliwości kontrolowania turgoru (napięcia powstającego z różnicy ciśnienia osmotycznego pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórek) w protoplastach powoduje ich rozpadanie się”, wyjaśnia Durand-Smet. „Dlatego też upewniliśmy się podczas badań, że kontrolujemy ciśnienie osmotyczne”. Badacze musieli pracować szybko, jako że w ciągu kilku godzin protoplasty zaczęły regenerować ścianę komórkową. Analiza modelowania kształtu komórki wymagała również dokładnej identyfikacji filamentów aktynowych oraz mikrotubuli w trakcie zmian kształtu. Badacze z projektu PlantCellMech zastosowali fluorescencyjne markery do oznaczenia różnych białek i obserwowali białka cytoszkieletu w protoplastach, korzystając z mikroskopii o wysokiej rozdzielczości. Wnioski, dodatkowe zastosowania oraz przyszłość Droga od modelowania kształtu protoplastów w niewielkich mikropłytkach w laboratorium do opracowania zastosowań komercyjnych może wydawać się długa, jednak rośliny stanowią doskonały materiał wyjściowy do produkcji odzieży, papieru, mebli i paliwa. Durand-Smet wskazuje: „Możliwość kontrolowania kształtu komórek roślinnych, a tym samym wzorca wzrostu i wydajności jest ważna z ekonomicznego punktu widzenia”. Badaczka postrzega te prace jako pierwszy krok na drodze do oceny ilościowej tego, w jaki sposób geometria komórek przyczynia się do kontrolowania organizacji cytoszkieletu w komórkach żyjących roślin. „Mamy nadzieję, że podejście zastosowane w projekcie PlantCellMech można dopracować, aby zbadać, w jaki sposób geometria wpływa na kierunek podziału komórek roślinnych lub na polarność komórek”, podsumowuje. Przyszłe plany obejmują śledzenie, w jaki sposób cytoszkielet dopasowuje się podczas zmiany kształtu komórki, a także ustalenie wpływu wymiernej siły przyłożonej do komórki. Pracę naukową opisującą działania w ramach projektu, „Cytoskeletal organization in isolated plant cells under geometry control” (Organizacja cytoszkieletu w odizolowanych komórkach roślinnych kontrolowanych geometrią), opublikowano w repozytorium bioRxiv. Słowa kluczowe PlantCellMech, kształt, geometria, protoplast, cytoszkieletowy, aktyna, pojedyncza komórka roślinna, ciśnienie osmotyczne, wzrost roślin, mikrotubula
