Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Т. Дамур
«Мир по Эйнштейну». Глава из книги


Л. Франк
«Мой неповторимый геном». Глава из книги



В память о Леониде Вениаминовиче Келдыше (07.04.1931–11.11.2016)


Н. Жизан
«Квантовая случайность». Глава из книги


Интервью с С. Ландо
Сергей Ландо: «Прорывы в математике плохо предсказуемы»


В. Гаврилов
Загадка зарянки


А. Левин
Астрономия темного


В. Мацарский
Бодался Чандра с сэром Артуром


О. Макаров
Секрет разделения


М. Никитин
«Происхождение жизни». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Формирование древесины рассмотрели под микроскопом


Кижи

Обрабатывать дерево и использовать его (например, в строительстве; на фото — Кижи) человек научился тысячелетия назад и с тех пор достиг в этом определенных успехов. А вот как строится сама древесина, стало понятно только сейчас, и для этого понадобились новейшая микроскопия и генетическое моделирование. Фото с сайта poezhaika.ru

Международная группа ученых с помощью комбинированных методов сконструировала арабидопсис, у которого в поверхностном слое клеток начала формироваться вторичная клеточная стенка — основной компонент древесины. Это позволило воочию наблюдать за ее развитием, что прежде было невозможно, ведь древесина развивается во внутренних слоях растительных стеблей или корней. Ученые измерили скорость процесса и определили его необходимые слагаемые и их локализацию в клетке.

В растительной клетке, как правило, различаются три оболочки: тонкая клеточная мембрана (она имеется всегда) и две клеточные стенки — первичная и вторичная (рис. 1). В ходе роста и специализации на поверхности мембраны сначала формируется первичная стенка, а затем и вторичная. Хотя арматурная основа обеих стенок одинакова — это микрофибриллы длинных молекул целлюлозы, — структура стенок различается.

Рис. 1. Схема строения оболочек растительной клетки

Рис. 1. Схема строения оболочек растительной клетки. Рисунок с сайта biology-forums.com

Первичная стенка состоит из разнонаправленных микрофибрилл целлюлозы, соединенных мостиками гликанов, пектинов, гемицеллюлоз; в ней много воды, так как пектиновые соединения гидрофильны. Вторичная стенка состоит по большей части из упорядоченных слоев микрофибрилл, которые организованы параллельно протянутыми тяжами микрофибрилл. При этом направление тяжей в слоях может различаться (рис. 2).

Рис. 2. Изображение клеточной стенки, полученное при помощи электронной микроскопии

Рис. 2. Изображение клеточной стенки, полученное при помощи электронной микроскопии. Видны целлюлозные волокна в налегающих друг на друга слоях вторичной клеточной стенки. Толщина целлюлозных микрофибрилл составляет 20 нм. Фото с сайта desktopclass.com

Все растения — от зеленых водорослей до баобабов (а вместе с ними и вся продукция из древесины) — приобретают жесткую форму благодаря вторичным клеточным стенкам, которые и составляют большую часть биомассы наземных растений. При этом, что удивительно, до сих пор никто не наблюдал, как эта стенка формируется. О ее росте судили по косвенным признакам. Впрочем, это отчасти понятно: вторичная клеточная стенка не характерна для наружных растительных клеток, на которые можно было бы посмотреть в микроскоп.

С этим препятствием блестяще справились генетики и ботаники из Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада), Стэнфордского университета (Стэнфорд, США), Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) и Института науки и технологии (Нара, Япония). С помощью генетической инженерии они заставили поверхностные клетки арабидопсиса (резуховидки Таля, лат. Arabidopsis thaliana) формировать вторичную стенку. После этого отснять процесс развития этой стенки стало лишь делом техники. Правда, техники весьма изощренной.

Известно, что синтез микрофибрилл целлюлозы в клеточной мембране запускается специальным ферментным комплексом, состоящим из молекул целлюлозосинтазы (Cellulose synthase) — шести белковых субъединиц, сложенных по шесть в специальные розетки (рис. 3).

Рис. 3. Схема биосинтеза микрофибрилл целлюлозы

Рис. 3. Схема биосинтеза микрофибрилл целлюлозы. Синтез происходит в так называемых розетках (или розеточных терминальных комплексах) с помощью шести субъединиц, каждая из которых состоит из шести молекул белка целлюлозосинтазы (CESA). Рисунок из статьи В. В. Титок и др., 2007. Биосинтез целлюлозы: современный взгляд и концепции

У арабидопсиса различают 10 изоформ целлюлозосинтазы: CESA1–CESA10. Из этих десяти изоформ три принимают участие в построении только первичной клеточной стенки (это изоформы с номерами 1, 3, 6) и три — только вторичной (изоформы с номерами 4, 7, 8). Ученые вставили в растение управляемый фитогормонами регулятор развития ксилемы (древесины). Затем скрестили это растение с другим, у которого CESA7 была помечена зеленой флуоресцентной меткой. В результате получился гибрид, который начинал при воздействии гормона формировать характерную для ксилемы вторичную клеточную стенку во всех клетках, в том числе и в поверхностном слое, и при этом розетки целлюлозосинтазы светились зеленым цветом. Весь процесс можно было теперь наблюдать в конфокальный микроскоп.

И даже не просто наблюдать, а оценить скорость процесса, так как живые клетки полученного гибрида позволяли в режиме реального времени отследить судьбу отдельной терминальной розетки (см. первое видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье, на котором красные стрелки указывают на движение отдельных розеток). Скорость продвижения каждого отдельного ферментного комплекса вдоль клеточной мембраны соответствовала скорости роста микрофибриллы. Расчеты показали, что скорость роста микрофибрилл целлюлозы во вторичной клеточной стенке заметно выше, чем в первичной. Кроме того, ферментные комплексы, формирующие вторичную клеточную стенку, расположены плотнее — а потому и плотность микрофибрилл вторичной стенки получается более высокой.

Рис. 4. Скорость движения целлюлозосинтазных комплексов в клеточной мембране

Рис. 4. Скорость движения целлюлозосинтазных комплексов в клеточной мембране во время формирования первичной и вторичной клеточной стенок. а — меченая CESA3 (серая полоса). Белая область — меченая CESA7; b — первые две стадии формирования вторичной стенки, с — третья стадия, предшествующая клеточной смерти. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

На фото и видео можно проследить маршрут CESA7. Этот фермент скапливается в пузырьках аппарата Гольджи и ограниченных клеточных компартментах; затем скопления перемещаются вдоль пучков микротрубочек к клеточной мембране, там останавливаются и встраиваются в нее. Разрушение микротрубочек оризалином (Oryzalin) при этом не снизило скорости синтеза целлюлозы. Наблюдения не только подтвердили участие конкретных клеточных органелл в синтезе вторичной клеточной стенки, но и позволили даже составить приблизительное расписание этого движения — на какие действия сколько времени уходит.

Эта визуализация важного во всех отношениях клеточного механизма дает в руки ученым и технологам изящный инструмент для управления процессом синтеза древесины. А уж как они этим инструментом воспользуются, покажет будущее.

Источник: Y. Watanabe, M. J. Meents, L. M. McDonnell, S. Barkwill, A. Sampathkumar, H. N. Cartwright, T. Demura, D. W. Ehrhardt, A. L. Samuels, S. D. Mansfield. Visualization of cellulose synthases in Arabidopsis secondary cell walls // Science. 2015. V. 350. P. 198–203.

Елена Наймарк


Комментарии (22)



Последние новости: МикробиологияБотаникаЕлена Наймарк

05.12
Хищные бактерии помогают иммунной системе справиться с инфекцией
01.12
Иммунный статус макак зависит от социального
23.11
Численность и генетическое разнообразие китовых акул измерили по пробам воды
22.11
Фиджийские муравьи сами выращивают для себя жилища
16.11
За «боязнь» щекотки у крыс отвечает соматосенсорная кора
10.11
Нейропротез вернул парализованным макакам-резусам способность ходить
08.11
Многие беспозвоночные, подобно млекопитающим, вынашивают и выкармливают свое потомство
31.10
Шмели перенимают новые знания от товарищей
20.10
Европейские зубры появились еще в плейстоцене
09.10
Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2016

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия