Солнечной весенней прогулкой по парку легко не заметить скрытые от глаз части растений. Биологи растений видят вещи по-другому. Они смотрят под поверхность, где корни растений организованы в сложные системы, которые имеют решающее значение для развития организма.
Например, сложно организованные корневые системы деревьев могут простираться настолько глубоко под землей, насколько дерево растет высоко над землей. Применяя передовую технологию визуализации к корням растений, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Стэнфордского университета разработали новое понимание основных химических веществ корней, которые отвечают за рост растений. Используя тип масс-спектрометра, исследование, проведенное под руководством докторанта биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего Тао Чжана и доцента Александры Дикинсон, составило «дорожную карту», которая профилирует, где ключевые малые молекулы распределяются по стволовым клеткам корней растений кукурузы и как факторы их размещения в процессе созревания растения. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Эта химическая дорожная карта представляет собой ресурс, который ученые могут использовать для поиска новых способов регуляции роста растений», — сказал Дикинсон, преподаватель кафедры клеточной биологии и биологии развития. «Наличие дополнительной информации о том, как растут корни, может быть полезно для сохранения, поскольку мы думаем о защите наших растений в естественной среде и о том, чтобы сделать их более устойчивыми, особенно в сельском хозяйстве».
Работая приглашенным ученым в Стэнфордском университете, Дикинсон начал сотрудничать с соавтором исследования Сарой Нолл и профессором Ричардом Заром, которые разработали систему визуализации масс-спектрометрии, которая помогает хирургам различать раковые и доброкачественные ткани во время операций по удалению опухоли.
Дикинсон, Заре и Нолл адаптировали технологию, называемую «масс-спектрометрическая визуализация десорбционной электрораспылением с ионизацией» или DESI-MSI, для исследования корней растений на наличие химических веществ, участвующих в росте и производстве энергии. Первоначально они сосредоточились на растениях кукурузы на кончиках корней, где стволовые клетки играют активную роль в развитии растения. Их метод заключался в том, чтобы прорезать центр корня, чтобы получить четкое изображение химических веществ внутри.
«Чтобы помочь понять корни растений с точки зрения биологии, нам нужно было выяснить, какие химические вещества там содержатся», — сказал Заре. «Наша система визуализации распыляет капли, которые попадают на разные части корня, и растворяют химические вещества в этом месте. Масс-спектрометр собирает брызги капель и сообщает нам, что это за растворенные химические вещества. химические вещества корней».
Полученные изображения, которые считаются одними из первых, показавших переход между стволовыми клетками и зрелой корневой тканью, показывают основополагающую роль метаболитов — молекул, участвующих в производстве энергии растением. Метаболиты цикла трикарбоновых кислот (TCA) стали предметом исследования, поскольку было обнаружено, что они играют ключевую роль в контроле развития корней.
Приступая к исследованию, исследователи ожидали относительно равномерного распределения химических веществ. Вместо этого, имея в руках свою химическую дорожную карту, они обнаружили, что метаболиты ТСА сгруппированы в виде пятен по всему корню.
«Я был удивлен тем, как много химических веществ представлено в действительно разных образцах», — сказал Дикинсон. «Мы видим, что растение делает это намеренно — для правильного роста ему нужны эти молекулы в определенных регионах». Лаборатория Дикинсона показала, что эти метаболиты ТСА оказывают предсказуемое влияние на развитие не только кукурузы, но и других видов растений (арабидопсис). Вероятно, это связано с высокой степенью консервативности метаболитов ТСА — они вырабатываются всеми растениями, а также животными.
Также на новых изображениях появились ранее неизвестные химические соединения. Дикинсон говорит, что загадочные соединения могут иметь решающее значение для роста растений, поскольку они также сгруппированы по шаблонам в определенных местах, что предполагает важную роль в развитии. Дикинсон и ее коллеги в настоящее время исследуют эти соединения и сравнивают сорта кукурузы с разным уровнем стрессоустойчивости к неблагоприятным угрозам, таким как суровые климатические условия и засуха. Новая информация поможет им разработать новые химические и генетические стратегии для улучшения роста растений и устойчивости к стрессу.
«Мы изучаем различные растения кукурузы, обладающие засухоустойчивостью, чтобы убедиться, что мы уже нашли химические вещества, специфичные для этого сорта, которых мы не видели в других сортах», — сказал Дикинсон. «Мы думаем, что это может быть способом найти новые соединения, которые могут способствовать росту, особенно в суровых условиях». Полный список авторов исследования включает: Тао Чжан, Сара Нолл, Хесус Пэн, Амман Клэр, Эбигейл Трипка, Натан Штуцман, Кейси Ченг, Ричард Заре и Александра Дикинсон.
https://phys.org/news/2023-05-advanced-imaging-root-chemicals-insights.html |
