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

  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    519
  • 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.
    256
  • 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.
    2702
  • 31/01/2018

    В Новосибирской области идет разработка проекта по созданию биофармацевтического научно-инжинирингового центра

    ​Новосибирская область может стать одним из ведущих федеральных центров по развитию науки и инжиниринга в области биотехнологий — территорией, привлекательной для инвестиций в биотехнологическую индустрию.
    769
  • 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).
    1545
  • 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.
    1975
  • 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.
    257
  • 30/08/2018

    «Технопром-2018»: о развитии геномных и клеточных технологий в России

    О будущем геномных и биотехнологий в России  рассуждали ученые, чиновники и руководители инвестиционных фондов на VI Международном форуме и выставке технологического развития «Технопром-2018». Участники отметили необходимость проработки законодательной базы в области медицинского применения клеточных продуктов и создания единой программы развития этой научной области, которая будет включать  планы не только научных организаций, но и представителей бизнес сообщества и министерства здравоохранения.
    332
  • 13/07/2018

    Новосибирские ученые предложили создать Национальный центр генетических технологий

    ​ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» выступил с инициативой создания Национального центра генетических технологий. Как рассказал избранный директор ФИЦ ИЦиГ СО РАН член-корреспондент РАН Алексей Владимирович Кочетов, проект ЦГТ нацелен на решение сразу нескольких стратегических задач: «Прежде всего, мы хотим на одной площадке получить полный набор современных исследовательских технологий, обеспечивающий возможность фундаментального изучения генетических систем и процессов человека, животных, растений и микроорганизмов на базовых иерархических уровнях организации живых систем: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, организменном, популяционном, экосистемном».
    601
  • 10/08/2018

    Ученые установили, что боли в спине связаны с генами и депрессией

    Коллектив ученых из России (Институт цитологии и генетики СО РАН и Новосибирский государственный университет), Великобритании, США и Нидерландов провел масштабное полногеномное исследование ассоциаций болей в пояснице и различных других состояний.
    354