_ Cum celulele din plantă frunzele se organizează pentru a asigura o zonă optimă pentru fotosinteză

Frunzele plantelor au nevoie de o suprafață mare pentru a capta lumina soarelui pentru fotosinteză. Dr. Emanuele Scacchi și profesorul Marja Timmermans de la Centrul de Biologie Moleculară a Plantelor de la Universitatea din Tübingen, împreună cu o echipă internațională, au descoperit acum care mecanisme genetice controlează creșterea frunzelor într-o structură plată capabilă să capteze eficient lumina soarelui.

Un fel de GPS încorporat informează fiecare celulă despre poziția sa relativă în frunza în creștere. Ordinea corespunde unui concept biologic de autoorganizare prezis de celebrul matematician Alan Turing. Studiul privind creșterea frunzelor a fost publicat în revista Nature Plants.

„Când celulele se divid și se înmulțesc, rezultatul este de obicei un pâlc de celule. Am vrut să știm cum, în cazul unei frunze, diviziunea celulară duce la o zonă mare plată”, spune Scacchi. În acest scop, o echipă de matematicieni și biologi experimentali au lucrat împreună pentru a urmări procesele folosind modele computerizate, metode de genetică moleculară și tehnici de imagistică asupra organismelor vii.

„Baza formării unor astfel de modele este polaritatea; adică capacitatea de a distinge, în acest caz, între sus și jos. De obicei, este creat de un gradient de concentrație al unei substanțe, numită morfogen, care este scăzut pe o parte și mai mare pe cealaltă", explică Scacchi.

Echipa a descoperit că „ARN-urile mici” joacă un rol decisiv în controlul frunzei în creștere. Ca mesageri mobili, aceștia sunt utilizați pentru comunicarea între celule și ajută celulele să-și perceapă poziția relativă una față de cealaltă în structură, ca un GPS. În plus, ARN-urile mici transmit informații care coordonează genele care trebuie activate sau inhibate pe partea de sus și de jos pentru a da frunzei forma și funcționarea potrivită.

„Acest mecanism de reglare funcționează autonom în creșterea frunză; nu există un control central în plantă", spune Timmermans. „Am observat că rezultatele noastre corespund unei teorii pe care Alan Turing a prezentat-o ​​cu mai bine de șapte decenii în urmă. Deși este cel mai bine cunoscut pentru contribuțiile sale la informatică, s-a ocupat și de misterele naturii.”

Turing a sugerat că interacțiunile simple între anumite molecule din celulele viețuitoarelor pot duce la formarea de modele complexe, cum ar fi petele de pe haina unui leopard sau dungile de pe o zebră. "El a descris matematic aceste procese în teoria sa a morfogenezei. Noul nostru studiu se bazează pe această teorie. Am descoperit un mecanism controlat de ARN mici care corespunde conceptului lui Turing de formare a modelelor prin auto-organizare", spune Timmermans.

În acest caz, auto-organizarea se referă la comportamentul controlat genetic al celulelor, care se comportă la unison ca un stol de păsări, formând un comportament colectiv pentru a crea modelul corect și structura plană a unei frunze. Fiecare pasăre din stol răspunde la mișcările vecinilor săi și, deși nu există un lider, interacțiunile colective creează un model coerent, organizat.

„Moleculele mici de ARN din celulele setului de frunze în creștere. în mișcare un proces genetic care permite celulelor să perceapă și să interpreteze mediul lor”, spune Scacchi. Activitățile genelor sunt coordonate între celule în așa fel încât fiecare frunză să fie împărțită într-o parte superioară și inferioară bine definite, care formează o pânză perfect plată pentru fotosinteză.

Un astfel de mecanism Turing auto-organizat poate adaptarea activității genelor la perturbările interne și externe în timpul dezvoltării frunzelor, astfel încât forma frunzelor să poată fi uniformă, în ciuda schimbărilor drastice ale mediului.

„În plus, acest sistem genetic oferă multe oportunități de reglare fină. Așa se explică o diversitate de forme de frunze observate în natură, de la simplul cârcel al unei plante cățărătoare până la ulciorul complex la unele plante carnivore. Dar descoperirea noastră nu este importantă doar pentru că adaugă un nou capitol moștenirii lui Turing", spune Timmermans.

"Am decodificat mecanismele de bază prin care ARN-urile mici permit procese genetice de auto-organizare. Acum putem explora. modul în care oamenii pot modifica și valorifica aceste funcții biologice. Cu o cerere globală în creștere pentru alimente, avem nevoie de culturi optimizate, cu randamente ridicate, care să fie rezistente împotriva factorilor de stres, cum ar fi încălzirea globală.”

(Fluierul)