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.

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.
    323
  • 06/09/2016

    Бельгийский ученый выступит в Новосибирске с лекцией о вкладе геномных технологий в селекцию животных

    ​Приглашаем на лекцию ученого мирового уровня, профессора генетики и геномики факультета ветеринарной медицины университета г. Льеж, Бельгия, Мишеля Жоржа The impact of genomics in animal breeding (Вклад геномных технологий в селекцию животных).
    876
  • 29/06/2016

    Кровоизлияние в мозг - не приговор

    ​Каждый шестой человек с геморрагическим инсультом – кровоизлиянием в мозг, вызванным разрывом сосудов, умирает в машине скорой помощи. Риск кровоизлияния, приводящего к летальному исходу или тяжелым неврологическим последствиям, остается высоким даже после успешной операции на сосудах.
    1601
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    1031
  • 10/01/2017

    Академику Николаю Колчанову исполнилось 70 лет

    ​Николай Александрович Колчанов родился 9 января 1947 года в с. Кондрашино Омской области. В 1971 году окончил Новосибирский государственный университет. С 1974 года работает в Институте цитологии и генетики СО РАН, а с 2008 года - директор этого института.
    714
  • 14/11/2017

    Юбилей академика Михаила Ивановича Воеводы

    ​Михаил Иванович Воевода родился 14 ноября 1957 года в Новосибирске. После окончания в 1982 году Новосибирского Государственного Медицинского Университета обучался в клинической ординатуре по специальности «внутренние болезни».
    76
  • 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.
    1006
  • 19/09/2016

    Михаил Федорук: наше сотрудничество с Таиландом развивается с хорошей динамикой

    ​Исследовательский центр продовольственной безопасности (НГУ) и Школа биоресурсов и технологий Технологического университета им. Короля Монгкута Тонбури (Таиланд) уже осуществляют ряд совместных проектов.
    924
  • 03/11/2017

    ​​В ИЦиГ СО РАН прошли переговоры о сотрудничестве с Академией сельскохозяйственных наук Китая

    1 ноября ФИЦ "Институт цитологии и генетики СО РАН" посетила делегация представителей китайской науки и бизнеса. Главная цель визита - заключение соглашения о сотрудничестве, в рамках которого должны быть созданы два совместных селекционно-семеноводческих центра, один в Новосибирске (на базе ФИЦ ИЦиГ СО РАН), второй - в Пекине (Институт овощеводства и цветоводства).
    81
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    1863