Из чего состоят растения видео: Как Одри II из «Магазинчика ужасов». Ученые засняли жуткое видео, как растение хватает воздух «ртом»

Чл.-корр. РАН Д.Д. Соколов: О чём рассказывают растения

Как мы знаем, ботаника — наука, изучающая растения. До появления человечества на Земле существовали животные, а до них — растения. Но что мы знаем о растениях и действительно ли так хорошо знаем об их появлении на Земле? О происхождении высших растений и их изучении путем научных экспериментов «Научной России» рассказал доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой высших растений биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Дмитрий Дмитриевич Соколов. 


— Известно, что растения – одни из первых живых организмов, которые стали заселять нашу планету. Как это происходило?

— Мы занимаемся высшими растениями. Они эволюционировали как группа преимущественно наземных растений. Когда растения оказались на суше и как появились высшие растения — это одна из самых больших загадок нашей науки. Как же и когда всё это получилось? Древнейшие страницы истории практически любой группы организмов окутаны тайной. Какую группу ни возьми, там обязательно будет тайна. Разгадывать тайны – это самое интересное. Для этого мы и занимаемся наукой. Есть большой интерес и к тайнам возникновения цветковых растений, которые возникли в начале мелового периода. Самые древние находки высших растений – это не целые растения, а один слой оболочки конкретной клетки – споры (это одна из стадий жизненного цикла). Эта клетка покрыта у высших растений особой оболочкой из очень прочного биополимера спорополленина. Он состоит из тривиальнейших элементов – углерода, кислорода, водорода, но достаточно точно установить химическую структуру спорополленина (и то только для одного вида растений) удалось лишь пару лет назад. Оболочку споры мы можем найти в ископаемом состоянии. Она хорошо сохраняется. Глядя на оболочки спор, можно говорить о появлении каких-то высших растений. Мы знаем, что одновременно с высшими растениями на суше появились и грибы. Они с самого начала тесно взаимодействуют друг с другом. Где-то через много-много времени после появления растений на суше мы имеем геологические отложения, изучая которые можно узнать о растениях удивительно много подробностей. Это отложения из нижнего девона Северной Шотландии. Мы имеем детальные сведения о жизненном цикле и особенностях строения довольно большого числа видов высших растений, которые обитали в этом районе в те далекие годы (примерно 400 миллионов лет назад). Одна из общих черт всех этих растений – небольшие размеры: их высота не превышала 30 сантиметров. Но одновременно с ними на суше существовали организмы высотой до 8 метров и диаметром до 1 метра. До сих пор ведутся споры о том, к какой группе относились эти вымершие гиганты, но почти наверняка они не были высшими растениями. 




— Дмитрий Дмитриевич, расскажите о деятельности кафедры высших растений. 

— Мы в широком ключе занимаемся описанием разнообразия высших растений. Многие могут подумать, что все эти виды уже известны науке и детально изучены. На самом деле ученые регулярно открывают и описывают огромное число новых видов. Но это даже не самое главное. Даже известные науке виды зачастую очень плохо изучены. Есть виды, которые ученые никогда не находили во время цветения, и мы все еще не знаем, например, какие у них лепестки и тычинки. Внутреннее строение растений на разных стадиях их развития, особенности поверхностей различных структур, изучаемые при большом увеличении, открывают бездну информации. Мы умеем извлекать и интерпретировать эти данные. У нас это поставлено на хороший поток. Дальше встает вопрос: почему каждое растение именно такое? В чем приспособительное значение тех признаков, которые мы наблюдаем, и всегда ли наблюдаемые детали строения связаны с выполнением каких-то ясных функций? Как сложный организм растения возникает в процессе индивидуального развития? Этот вопрос имеет далеко не только теоретическое значение. Он вплотную связан с технологиями микроклонального размножения растений, которые широко используются сейчас для практических целей, в том числе у нас на кафедре. Как происходила эволюция растений? Всё, что касается эволюции, — это предмет нашего особого интереса. Об эволюции мы можем судить, с одной стороны, по ископаемым – прямым свидетельствам. С другой стороны – по косвенным, но очень детальным свидетельствам, а именно путем сравнения структуры ДНК у различных видов современных растений. Из этого можем извлекать огромную информацию. Отдельное направление – изучение пыльцевых зёрен. Сейчас, весной, прежде всего вспоминают о том, что у людей бывает аллергия на пыльцу. У разных людей аллергию может вызывать пыльца разных растений, и цветут эти растения в разное время. У нас ведется постоянный мониторинг концентрации пыльцы разных видов растений в атмосфере, причем не только аллергенных. Это очень важное направление фундаментальных исследований. В воздухе концентрация пыльцы меняется. С чем это связано? Оболочки пыльцевых зёрен и спор, как правило, хорошо сохраняются в ископаемом состоянии. Как я уже говорил, они содержат спорополленин. По остаткам пыльцевых зёрен и спор можно проводить реконструкцию изменений растительности и климата на различных отрезках времени, выявлять случаи глобальных потеплений и похолоданий. Данные споро-пыльцевого анализа широко используются геологами, в том числе в связи с разведкой полезных ископаемых.


— В разработках вы применяете анализ ДНК?

— Конечно. Заниматься современной биологией и не использовать молекулярные данные невозможно, потому что информация, которая содержится в последовательности нуклеотидов ДНК говорит очень многое о том, как эволюционировали растения. Важная проблема эволюционной биологии состоит в том, что молекулярные данные доступны только для современных и очень недавно умерших организмов. Замечательно, что мы можем извлечь ДНК из гербария образцов XX и XIX веков и сравнить эти образцы между собой и с живыми растениями. Однако нет, например, никаких шансов изучить ДНК растений, остатки которых образовывали в каменноугольном периоде тот самый каменный уголь. О родственных связях этих ископаемых может рассказать только их морфолого-анатомическое строение. А это значит, что для полного понимания эволюции растений нам необходимы очень глубокие знания внешнего и внутреннего строения не только вымерших, но и современных растений.  

— Над чем сейчас вы работаете? Какие исследования проводите на кафедре?

— Мы занимаемся цветками. Как они появились? Это большая загадка. У растений юрского периода цветков еще не было, а к середине следующего, мелового периода, разнообразие цветковых растений уже было очень большим. Те люди, которые особенно настойчиво пытаются найти цветки юрских растений, зачастую находят их. Вероятно, они совершают ошибки. По крайней мере, опубликованные находки такого рода пока удавалось убедительно опровергнуть. Сейчас мы изучаем очень древнее современное цветковое растение – роголистник. Это одно из тех загадочных растений, которые на самом раннем этапе, как только возникли цветковые растения, сразу приспособилось к подводному образу жизни, даже цветение и опыление у него происходит под водой. Хотя большинство высших растений обитают на суше, среди них есть и такие. Для того, чтобы понимать, как шла эволюция цветков, очень важно правильно интерпретировать то, что мы видим. Это очень сложная задача. Например, есть разные мнения о том, что именно у роголистника является цветком!


— Совсем недавно на факультете установили специальный электронный высокоразрешающий микроскоп. В чём его главная цель? Как он будет работать?

— Сканирующий электронный микроскоп Quattro S производства фирмы Termo Fisher Scientific позволяет достигать бОльших увеличений, глубже проникать в тонкое строение живых организмов, работать с материалом без напыления его тонким слоем металла, проводить анализ распределения различных химических элементов в исследуемом образце. Ранее работы в области сканирующей электронной микроскопии мы выполняли только с напылением. Наш влажный живой объект было необходимо аккуратно зафиксировать с помощью специальных реагентов, затем провести так называемую сушку в критической точке, чтобы он максимально полно сохранил прижизненные свойства своей поверхности. При определенном сочетании давления и температуры можно добиться процесса высыхания, который минует фазовый переход. Это позволит проводить высушивание без образования поверхностной плёнки, вызывающей огромные деформации объекта. Сушка в критической точке позволяет оставить поверхность почти точно такой же, но совершенно безводной. Отсутствие паров жидкости – непременное условие работы в обычных сканирующих электронных микроскопах. В общем, это была довольно сложная методика и, главное, обратим внимание на то, что поверхность может получиться почти, но все же не совсем такой же, как у живого организма. Это «почти» становится тем критичнее, чем с бОльшими увеличениями мы работаем. Новый микроскоп многое упрощает в нашей работе. Во-первых, он позволяет не обезвоживать объект, а изучать его в прижизненной влажности. Во-вторых, можно не напылять его поверхность металлом. Таким образом, мы можем сразу работать с объектом в практически прижизненном состоянии с очень большим увеличением. Это открывает большие новые возможности. 

— Имеется ли другая модификация подобного микроскопа, на котором можно получать высокие результаты?

— Конечно, за границей таких микроскопов достаточно много. Есть они и у нас в стране. Наша задача брать идеями и материалами. Работать с такими организмами, которые никто и никогда не изучал. Мы должны идти от уникальных вопросов, уникальных объектов. У нас есть огромные коллекции живых и специальным образом собранных растений из разных районов нашей страны и многих других областей Земли. Благодаря успешной работе А.П.Серегина и его команды миллион образцов Гербария Московского университета отсканированы и доступны в открытом доступе для каждого в интернете. Уникальные живые коллекции растений поддерживаются в Ботаническом саду благодаря ежедневной работе очень опытных специалистов. Это ценнейший материал, в котором основа наших успехов в науке.




Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Беседовала Анна Посохова

Что «чувствуют» растения

Что «чувствуют» растения

Оглавление

Содержание

  1. Введение

    1. Что чувствуют растения?

      1. Заключение

          11 декабря 2018

          Новость

          На вопрос, могут ли растения чувствовать боль, наука долгое время отвечала решительным «нет». Однако в последнее время накопились новые интересные факты, способные расширить наши представления о чувствительности и ответных реакциях растений на различные раздражители.

          • Автор
            • Наталия Солнцева
          • Редакторы
            • Вера Башмакова
            • Андрей Панов
            Темы
            • Биология

            • Биомолекулы

            • Гормоны растений

            • Ионные каналы

            • Рецепторы

          В одном из сентябрьских номеров Science вышла статья, в которой рассказывалось об открытии защитной системы растений, имеющей много общего (неожиданно!) с нервной системой животных. .. Оказалось, что Arabidopsis thaliana может передавать кальциевые сигналы к своим отдаленным органам с весьма большой скоростью, используя рецепторы к глутамату в качестве сенсоров повреждения. В ответ на эти сигналы растение усиливает синтез различных защитных веществ, которые предотвращают его дальнейшее поедание травоядными животными. Наша статья посвящена деталям этого открытия.

          Введение

          В одном из недавних дайджестов SciNat [1] мы вскользь упомянули о том, что ученые обнаружили у растения Arabidopsis thaliana (русское название — резуховидка Таля) дальнодействующую и относительно высокоскоростную систему кальциевой сигнализации, которая активируется в ответ на механическое повреждение за счет особых растительных глутаматных рецепторов (glutamate-like receptors, GLR) [2], [3]. GLR синтезируются повсеместно у разных групп растений — от мхов до покрытосеменных — и принимают участие во множестве процессов: они могут играть важную роль в размножении, защите от патогенов, росте корней, регуляции степени открытия устьиц и трансдукции светового сигнала [4–7]. Необычность этой находки состоит в том, что глутамат также является распространённым возбуждающим нейротрансмиттером у позвоночных животных [4]. Кроме того, глутаматные рецепторы в большом количестве присутствуют на поверхности иммунокомпетентных клеток млекопитающих, для которых глутамат является важным иммуномодулятором [8]. Несмотря на то что растения и животные далеко отстоят друг от друга в эволюционном смысле, наличие у обеих групп системы межклеточной коммуникации на основе рецепторов к глутамату свидетельствует в пользу универсальности и эволюционной древности такой системы.

          Роль глутамата в нервной системе млекопитающих подробно описана в нашей статье: «Очень нервное возбуждение» [9].

          Что чувствуют растения?

          Давайте же разберемся, что необычного удалось обнаружить авторам вышеупомянутой статьи в Science. Открытие было сделано случайным образом. Американо-японская группа ученых изучала влияние гравитации на классическое лабораторное растение Arabidopsis thaliana. Это растение является удобным модельным организмом в биологических исследованиях благодаря относительно короткому циклу развития и маленькому размеру (рис. 1). Ученые предположили, что кальциевая сигнализация может играть роль в гравитропизме — направленном росте органов растения относительно вектора гравитации . Для визуализации таких сигналов исследователи использовали специальный флуоресцентный белок-репортер, позволяющий «увидеть» повышение уровня ионов кальция в цитозоле клеток с помощью флуоресцентного микроскопа [11].

          Механизмы влияния гравитации на Arabidopsis thaliana подробно описаны в нашей статье: «Растения в космосе: инструкция по применению» [12].

          Рисунок 1. Культура Arabidopsis thaliana, выращенная в чашке Петри на среде из агара

          Arabidopsis thaliana cultures in agar media

          В ходе экспериментов растения порой получали механические повреждения и отвечали на них быстрым повышением уровня кальция в цитозоле клеток. Этот эффект заинтересовал исследователей, и они стали умышленно «натравливать» на Arabidopsis гусениц и кромсать его листья ножницами (относитесь с осторожностью к ученому, который проявляет к вам интерес 🙂 ). На повреждения обоих типов растение отвечало «кальциевыми сигналами», которые быстро распространялись от места ранения и достигали отдаленных листьев в течение двух минут, что хорошо видно на ускоренной записи данного эксперимента (видео 1 и 2). Скорость сигнала составляла ~1 мм/с, что гораздо быстрее, чем можно объяснить простой диффузией. Тот факт, что Arabidopsis одинаково реагировал и на поедание гусеницей, и на повреждение ножницами, говорит нам о том, что для активации описанной сигнальной системы не требуются специальные химические вещества, выделяемые травоядными животными при поедании различных частей растения (рис. 2).

          Видео 1. В ответ на поедание гусеницами и порезы у Arabidopsis thaliana ученые детектировали «кальциевые сигналы» в месте ранения, которые в течение 1–2 минут распространялись ко всем отдаленным частям побега

          Видео 2. Поедание гусеницей стимулирует выработку кальциевых сигналов, распространяющихся преимущественно через проводящую систему Arabidopsis thaliana

          Рисунок 2. Механическое повреждение листа Arabidopsis thaliana инициирует дальнодействующее распространение кальциевых сигналов. а — Поедание гусеницей (пунктирная линия — гусеница; белая стрелка — место повреждения) сначала приводило к локальному увеличению внутриклеточного Ca2+ (красная стрелка), затем сигнал распространялся на отдаленные и преимущественно более молодые листья (желтые стрелки) (видео 2). б — Отрезание листа (L1, белая стрелка, 0 с) вызывало локальное увеличение уровня Ca2+ (красная стрелка) с последующим распространением сигнала на отдаленные листья (желтые стрелки), например лист 6 (L6).

          Также было показано — кальциевый ответ индуцируется исключительно глутаматом, а значит, решающую роль в этом процессе играют глутаматные рецепторы. GLRs относятся к семейству катион-проницаемых неселективных ионных каналов и, как мы упоминали выше, играют важную роль в жизни растения: они могут принимать участие в поглощении питательных веществ, передаче сигналов и транспорте различных соединений [13]. Глутаматные рецепторы растений весьма разнообразны и отличаются широкой лигандной специфичностью. В геноме Arabidopsis thaliana обнаружено 20 генов GLRs, которые можно сгруппировать в три клады. Ранее удалось узнать, что члены третьей клады данного семейства генов кодируют важные компоненты защитной системы растений, поэтому ученые изучали именно их [10]. Авторы показали, что изучаемый тип сигнализации отсутствует у растений с мутациями в двух генах глутаматных рецепторов — glr3.3 и glr3.6. Что интересно, эти рецепторы имеют высокое сходство последовательностей генов и белковых структур с ионотропными глутаматными рецепторами млекопитающих (iGLR), которые играют решающую роль в обучении и формировании памяти [8].

          Возникает логичный вопрос: посредством чего в растениях передаются эти дальнодействующие сигналы? Ученые предположили, что действие глутамата сродни гуморальной регуляции и отличается от роли этой аминокислоты в качестве нейротрансмиттера у млекопитающих. Это подтверждается экспериментальными наблюдениями: флуоресцентный репортер, позволяющий «увидеть» повышение уровня кальция, обнаруживается в значительных количествах именно в проводящей системе — в клетках флоэмы, где, кстати, синтезируются различные молекулы раневой сигнализации (рис. 2) [3]. Также ученые использовали флуоресцентный глутамат-репортер и показали, что уровень этой аминокислоты поначалу увеличивается в месте ранения, а со временем распространяется на весь лист (рис. 3).

          Рисунок 3. Повреждение приводит к высвобождению глутамата в апопласт [Glu]apo сначала у места ранения (спустя 6 секунд после ранения), а затем и по всему листу (спустя 300 секунд). Активация GLRs, в свою очередь, вызывает изменения уровня Ca2+ в цитозоле и, как следствие, инициирует системный защитный ответ у всего растения.

          Основываясь на полученных результатах, ученые предложили следующую гипотезу активации системной защиты у Arabidopsis thaliana: механические повреждения, которые наносятся травоядными животными, приводят к локальному высвобождению в месте ранения глутамата из цитоплазмы клеток в апопласт. Молекулы этой аминокислоты транспортируются на большие расстояния по апопласту, достигая проводящей системы растений, где они активируют ионные каналы GLR3 в плазматической мембране клеток. В свою очередь, это приводит к увеличению притока ионов кальция в клетки флоэмы и быстрому распространению сигнала к листьям, удаленным от места ранения. Не менее важно то, что активация глутаматных рецепторов третьего типа приводит к увеличению биосинтеза защитных веществ в растении, таких как жасмонаты. Жасмонаты запускают синтез антимикробных и инсектицидных соединений, а также белков, блокирующих пищеварительные ферменты, благодаря чему повышается устойчивость растения к поеданию травоядными животными .

          Роль жасмонатов в защите растений подробно описана в нашей статье «Жасмонаты: “слёзы феникса” из растений» [14].

          Заключение

          Отсутствие нервной системы у растений — широко известный факт. Однако, по-видимому, растения всё же обладают системой, позволяющей им относительно быстро реагировать на внешние угрозы и раздражители путем активации комплексной системы защиты. Примечательно, что сигнальная система растений, необходимая для защиты от травоядных животных, основана на той же «химии», что и нервная система животных. Чтобы понять, достаточна ли скорость распространения кальциевого сигнала для быстрого реагирования растения на внешние раздражители, необходимо продолжать изучение этой системы.

          1. SciNat за сентябрь 2018 #3: мыши в виртуальной реальности, псевдо-нервная система растений и новый класс антибиотиков для борьбы с грамотрицательными бактериями;
          2. Gloria K. Muday, Heather Brown-Harding. (2018). Nervous system-like signaling in plant defense. Science. 361, 1068-1069;
          3. Masatsugu Toyota, Dirk Spencer, Satoe Sawai-Toyota, Wang Jiaqi, Tong Zhang, et. al.. (2018). Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science. 361, 1112-1115;
          4. E. Michard, P. T. Lima, F. Borges, A. C. Silva, M. T. Portes, et. al.. (2011). Glutamate Receptor-Like Genes Form Ca2+ Channels in Pollen Tubes and Are Regulated by Pistil D-Serine. Science. 332, 434-437;
          5. Carlos Ortiz-Ramírez, Erwan Michard, Alexander A. Simon, Daniel S. C. Damineli, Marcela Hernández-Coronado, et. al.. (2017). GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE channels are essential for chemotaxis and reproduction in mosses. Nature. 549, 91-95;
          6. Seyed A. R. Mousavi, Adeline Chauvin, François Pascaud, Stephan Kellenberger, Edward E. Farmer. (2013). GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE genes mediate leaf-to-leaf wound signalling. Nature. 500, 422-426;
          7. Daeshik Cho, Sun A. Kim, Yoshiyuki Murata, Sangmee Lee, Seul-Ki Jae, et. al.. (2009). De-regulated expression of the plant glutamate receptor homologAtGLR3.1impairs long-term Ca2+-programmed stomatal closure. The Plant Journal. 58, 437-449;
          8. A. A. Boldyrev, E. A. Bryushkova, E. A. Vladychenskaya. (2012). NMDA receptors in immune competent cells. Biochemistry Moscow. 77, 128-134;
          9. Очень нервное возбуждение;
          10. Brian G. Forde, Michael R. Roberts. (2014). Glutamate receptor-like channels in plants: a role as amino acid sensors in plant defence?. F1000Prime Rep. 6;
          11. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
          12. Растения в космосе: инструкция по применению;
          13. B. G. Forde, P. J. Lea. (2007). Glutamate in plants: metabolism, regulation, and signalling. Journal of Experimental Botany. 58, 2339-2358;
          14. Жасмонаты: «слёзы феникса» из растений.

          Комментарии

          Растения сделаны из воздуха » Джошуа Сподек

          21 мая 2015 г. автор Джошуа
          в природе

          Раньше я думал, что растения используют энергию солнца, чтобы извлекать материал из земли, и что они сделаны из этого материала, то есть, в конечном счете, сделаны из земли. Вроде правдоподобно, но неправильно.

          Они используют энергию солнца, чтобы извлекать углерод из углекислого газа и создавать из него себя. Другими словами, они состоят из воздуха. Они получают некоторый материал из земли, но немного. Сколько? Когда вы сжигаете бревно, большая часть растения возвращается в воздух, а остающийся пепел — это в основном то, что оно взяло из земли. Я думаю, что они получают воду и из земли, но эта вода, вероятно, попала туда из-за дождя, который тоже похож на воздух.

          Я нахожу это удивительным. Гигантские секвойи, возвышающиеся на сотни футов и достаточно большие, чтобы по ним проехала машина, в основном состоят из воздуха.

          Вы также можете узнать об окружающей среде и теплице из этого наблюдения.

          Вот почему растения помогают справиться с парниковым эффектом. Они забирают парниковый газ углекислый газ из атмосферы. Что они с этим делают? Они делают из этого себя. Поэтому, когда растение умирает, если оно разлагается, его углерод возвращается в атмосферу. Вырубка лесов выбрасывает углекислый газ, который был в их деревьях и растениях, обратно в атмосферу.

          Нефть, уголь и другие ископаемые виды топлива сжигают остатки растений, которые давным-давно забирали углекислый газ из атмосферы. Даже если бы мы восстановили все леса, которые мы вырубили, мы все равно не смогли бы удалить весь дополнительный углекислый газ, который мы выбрасываем в окружающую среду из-за сожженных нами растений, которые находились под землей в качестве неиспользованного ископаемого топлива.

          Если углекислый газ в атмосфере нагревает нашу планету достаточно, чтобы затопить города, нарушить наше снабжение продовольствием, привести к вымиранию многих видов, разморозить регионы, хранящие углерод, который высвободит еще больше углерода и усилит эффект, и так далее, и мы Если мы хотим предотвратить потерю жизни и культуры, которую это может принести, мы, вероятно, захотим вернуть углекислый газ, который мы выбрасываем в атмосферу, обратно в землю.

          Я не изучал научные данные, но думаю, нам нужно получить что-то вроде объема всей нефти и угля, которые мы доставили на поверхность обратно в землю. Поскольку мы, вероятно, получили столько энергии, сколько могли, из ископаемого топлива, которое мы использовали, нам пришлось бы получить другой источник энергии, чтобы вернуть углерод из воздуха в твердое или жидкое состояние. Деревья делают это без каких-либо усилий с нашей стороны, но как только мы снова вырастим леса, я не знаю, как мы сможем продолжать делать больше деревьев. Мы могли бы использовать энергию солнца и ветра, но мы планируем использовать эту энергию для развития общества.

          Как бы то ни было, я не собирался углубляться в парниковый эффект, а хотел указать на что-то в природе, которое я нахожу захватывающим и красивым, и исследовать некоторые результаты этого эффекта.

          Прежде чем закрыть, я поискал в Интернете об этом и нашел мастера, говорящего об этом. Теперь я помню, что видел это раньше, но, для протокола, я знал кое-что из этого до того, как Ричард Фейнман говорил об этом.

          Читайте мой еженедельный информационный бюллетень

          Об инициативе, лидерстве, окружающей среде и бёрпи

          Имя

          Адрес электронной почты

          Мы используем это поле для обнаружения спам-ботов. Если вы заполните это, вы будете отмечены как спамер.

          Мы не будем рассылать вам спам. Отписаться в любое время.
          Работает на ConvertKit

          • ← Вопросы для повышения самосознания
          • Совет молодому человеку по поводу своих привычек в еде →

          Открытие показывает, как растения производят целлюлозу для силы и роста

          10 июля 2020 г.

          Новое исследование Медицинской школы Университета Вирджинии показывает, как растения создают несущие конструкции, которые позволяют им расти, подобно тому, как строительные бригады возводят каркас дома.

          Новое открытие, финансируемое Министерством энергетики США, раскрывает молекулярный механизм, который растения используют для сплетения цепочек целлюлозы в кабелеобразные структуры, называемые «микрофибриллами». Эти микрофибриллы обеспечивают необходимую поддержку клеточным стенкам наземных растений и позволяют им создавать давление внутри своих клеток. Это давление позволяет растениям расти к небу.

          «Целлюлоза является наиболее распространенным полимером природного происхождения, а ее строительный элемент, глюкоза, является прямым продуктом фотосинтеза, который улавливает углекислый газ из атмосферы», — сказал исследователь Йохен Циммер из отдела молекулярной физиологии и биологической физики Университета штата Калифорния. «Понимание того, как производится целлюлоза на молекулярном уровне, позволяет нам адаптировать ее биосинтез для изменения физических свойств целлюлозы, оптимизации секвестрации углерода или извлечения накопленной энергии для подпитки техногенных процессов».

          Создание целлюлозы

          Целлюлоза сопровождала и определяла эволюцию человека с самого начала. Из него делают строительные материалы, одежду, бумагу, пищевые добавки и даже медицинские инструменты. Это сложная штука: полимер не растворяется в воде, и микробам очень трудно его разрушить. Это всего лишь несколько примеров уникальных свойств целлюлозы.

          Циммер и его коллеги пролили свет на то, как растения создают этот важный материал. Ученым известно, что целлюлоза состоит из молекул глюкозы, простого сахара, связанных вместе, но новое исследование показывает, какие молекулярные механизмы используют для этого растения. По сути, ученые создали схему фабрик, которые растения используют для производства целлюлозы и транспортировки ее на поверхность своих клеток. Эти фабрики известны как комплексы целлюлозосинтазы, и они расположены внутри клеточной мембраны, чтобы обеспечить движение через границу клетки.

          Исследователи обнаружили, что фабрики производят три цепочки целлюлозы с частями, расположенными внутри клетки. Они также транспортируют полимеры к поверхности клетки через каналы, пересекающие границу клетки. Эти каналы высвобождают целлюлозные цепи к единственной точке выхода, чтобы выровнять их в тонкие фибриллярные «протофибриллы». Протофибриллы появляются, как зубная паста из тюбика, в виде нити. Затем они собираются вместе со многими другими в микрофибриллы для выполнения своих основных функций в клеточной стенке.

          Прото- и микрофибриллы целлюлозы имеют толщину всего несколько нанометров – нанометр равен одной миллиардной части метра. Но их сила в их количестве. Растения производят микрофибриллы за микрофибриллами, чтобы поддерживать свои клетки. В собранном виде полученная конструкция получается очень прочной. Вы можете думать об этом как о том, как можно упаковать кусочки сухой соломы, чтобы сделать прочную водонепроницаемую соломенную крышу.

          Целлюлозные фабрики слишком малы, чтобы их можно было увидеть в обычный световой микроскоп. Чтобы нанести их на карту, Циммер и его коллеги задействовали возможности электронного микроскопа Titan Krios от UVA — машины настолько чувствительной, что она похоронена глубоко под землей, заключена в тонны бетона, чтобы избавить ее даже от малейших вибраций. Это позволяет ученым открыть для себя увлекательный молекулярный мир, ранее скрытый от человеческого взгляда.