Сотрудники лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики ФЕН НГУ вместе с учеными из Института цитологии и генетики СО РАН и Фрайбургского университета (Германия) реконструировали 3d модель ядер клеток корня, чтобы изучить, как расположены в ткани стволовые клетки.

 

Сам по себе корень очень интересен для исследований, потому что он обеспечивает растение водой, необходимыми для роста микроэлементами из почвы, удерживает растение в земле. А «родоночальник» всего органа — кончик корня, именно в нем находятся стволовые клетки, которые делятся и удлиняются, что позволяет корню расти.

Мы работали с модельным объектом резуховидкой Таля (Arabidopsis thaliana), исследуя область кончика корня длиной до 1 мм. Мы использовали лазерную конфокальную микроскопию, которая позволяет заглянуть внутрь корня не разрезая его. Для этого проводилась специальная подготовка растений — перед исследованием добавлялись флуоресцентные белки-красители, встраивающиеся в клеточные ядра корневой системы. Лазерный луч с определенной длиной волны возбуждает эти флуоресцирующие белки, микроскоп «видит» клеточные ядра и сканирует корень горизонтальными слоями — до 150 слоев на сто микрон. Обработка полученного массива данных, велась в программе, разработанной нашими коллегами из Фрайбургского университета, в которой мы реконструировали поперечные и продольные сечения. Программа применяет технологию распознавания ядер с нанесением их на цилиндрическую систему координат и позволяет восстановить трехмерное расположение клеточных ядер. В результате мы получили модель корня, которую можно «покрутить» со всех сторон и даже заглянуть внутрь — посмотреть пространственные взаимосвязи между клетками внутри органа, — рассказала младший научный сотрудник лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики НГУ, и.о. зав. сектора системной биологии морфогенеза растений ИЦиГ СО РАН Виктория Лавреха.

 

Если рассматривать поперечный срез кончика корня — в нем есть несколько типов клеток, расположенных цилиндрическими слоями друг за другом, от внешней части к центру: эпидермис, кортекс, эндодермис, перицикл и сосудистая ткань в самой середине. В сосудистой ткани выделяют подтипы клеток — флоэмы и ксилемы — их «задача» проводить органические и неорганические вещества. С помощью 3d модели исследователи показали как эта структура формируется из недифференцированных клеток в кончике корня.

У корня модельного растения — два столбика флоэмных и ксилемных клеток, "пронизывающих" корень по всей длине (см рисунок), отличающихся друг от друга функционально и гистологически и расположенных по законам диархной симметрии. Это значит, что через центр органа можно провести две взаимно перпендикулярные плоскости — и относительно каждой из них, корень симметричен — т.е. повторяются клетки одних и тех же типов. Существуют корневые системы, где этих пучков клеток по три, четыре и более. Как происходит деление? Флоэма «рождается» из протофлоэмных клеток: они дифференцируются (выбирают свое назначение) первыми — пропадают ядра и клетки начинают напоминать сосуды. Протоксилемные клетки находятся перпендикулярно протофлоэмным, и хотя делятся дольше, но также «специализируются» довольно рано. Получается, что в кончике корня есть своеобразные «полюса», возле которых и происходит деление. Например, из клеток перицикла (слой ткани вокруг сосудистой) на протоксилемных полюсах, образуются боковые корни, — говорит Виктория Лавреха.

В результате наблюдений ученым удалось выяснить, что уже у стволовых клеток сосудистой ткани — протофлоэмных и протоксилемных полюсов — есть особый микроклимат — который влияет на скорость деления близлежащих стволовых клеток. На протоксилемных полюсах перицикла клетки заканчивают делиться раньше и переходят в "режим ожидания", состояние, которое поддерживается до тех пор, пока эти клетки не начнут формировать боковые корни. Наличие протоксилемных и протофлоэмных полюсов характерно и для эндодермиса, слоя, следующего за перициклом. Например, увеличение рядов в слое эндодермиса происходит за счет делений только на протоксилемных полюсах. Авторы считают, что выбор именно этих клеток для деления связан с концентрацией фитогормонов, распространяющихся от ксилемы в поперечной плоскости корня.

Понимание деталей, того как происходит появление новых клеток в кончике корня, особенно важно для тех случаев, когда нормальные процессы деления в нем нарушены. Поведение стволовых клеток внутри целого органа до сих пор остается малоизученным. Для животных это осложняется способностью клеток к перемещению. 3d модель кончика корня растения — первый пример описания ниши стволовых клеток во всей ее полноте, показывающий как из одной клетки рождается сложность и симметрия.

Подробности эксперимента изложены в журнале The Plant Journal.

Источники

Ученые НГУ и ИЦиГ СО РАН вместе с коллегами из Германии построили 3d модель корня растения для исследования стволовых клеток
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 14/11/2017
Ученые построили 3D модель корня растения для исследования стволовых клеток
Наука в Сибири (sbras.info), 14/11/2017
Российские биологи рассмотрели структуру делящейся зоны корня растения
Fresh-News.org, 20/11/2017
Ученые НГУ и ИЦиГ СО РАН и их немецкие коллеги построили 3d модель корня растения
Научная Россия (scientificrussia.ru), 28/11/2017
Ученые построили 3d-модель корня растения
Русская планета (rusplt.ru), 28/11/2017
Ученые НГУ и ИЦиГ СО РАН вместе с коллегами из Германии построили 3d модель корня растения для исследования стволовых клеток
ИА ИНВУР (invur.ru), 29/11/2017
Ученые НГУ и ИЦиГ СО РАН вместе с коллегами из Германии построили 3d модель корня растения для исследования стволовых клеток
Nanonewsnet.ru, 28/11/2017

Похожие новости

  • 12/07/2017

    Сибирские и немецкие ученые разработали новый метод анализа данных в биоинформатике

    ​​Лаборатория компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики ФЕН НГУ совместно с коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН и Галле-Виттенбергского университета им.
    917
  • 10/10/2018

    Новосибирские ученые совместно с иностранными коллегами идентифицировали три новых генетических варианта, связанных с хронической болью в спине

    Боль в спине является одной из наиболее распространенных причин посещения медицинских учреждений в развитых странах, но, как ни удивительно, мало что известно о биологии, лежащей в основе этого симптома.
    126
  • 10/10/2018

    Генетики расшифруют молекулярные основы болезней сердца

    ​Ученые из новосибирского Академгородка и Эдинбурга (Великобритания) планируют найти новые биомаркеры и мишени для лекарств при сердечно-сосудистых заболеваниях, а также разработать методы прогнозирования риска болезни.
    106
  • 10/03/2017

    Российские ученые разработали новое вещество против вируса гриппа на основе природных соединений

    ​Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Научно-исследовательского института гриппа в Санкт-Петербурге разработали новый продукт широкого спектра противовирусной активности, в основе которого лежат природные соединения: терпены и терпеноиды.
    1819
  • 12/10/2016

    АлтГУ и ИЦиГ СО РАН развивают сотрудничество

    ​Алтайский государственный университет совместно с Федеральным исследовательским центром Институтом цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук приступает к реализации научно-образовательного проекта по селекции и семеноводству.
    1646
  • 11/12/2017

    «Энергия науки» в Новосибирске

    ​Информационный центр по атомной энергии приглашает на открытые лекции биолога и научного журналиста Ирины Якутенко. 15 и 16 декабря она выступит в Новосибирске в рамках просветительского проекта сети ИЦАЭ «Энергия науки».
    629
  • 19/08/2016

    Из студентов НГУ - в преподаватели биоинформатики

    ​Школа довузовской подготовки факультета информационных технологий НГУ в новом учебном году расширяет работу со школьниками — появляются занятия со старшеклассниками в рамках создаваемой Научно-технической проектной лаборатории НГУ «Инжевика».
    1852
  • 05/12/2016

    Сибирские генетики и управление фотосинтезом

    ​Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.
    1708
  • 27/04/2018

    В Новосибирске создали инструмент для моделирования формы тромбоцита

    ​Сотрудники лаборатории оптики и динамики биологических систем Физического факультета НГУ (входит в САЕ «Нелинейная фотоника и квантовые технологии») совместно с лабораторией цитометрии и биокинетики ИХКГ СО РАН разработали инструмент для моделирования формы тромбоцитов крови и ее изменения при активации.
    456
  • 26/06/2016

    Форум «Биомедицина-2016»

    С 26 июня по 1 июля в Новосибирске проходит форум «Биом​едицина-2016». ​В настоящее время биомедицинская наука преодолевает порог нового синтеза знаний, который ведет к формированию медицины нового поколения.
    3853