利用新开发的活细胞成像方法来研究植物叶片形态建成机制学术资讯

植物叶片是针对光合作用和气体交换的专化平面器官。叶片在解剖学上存在广泛的变化，反映了环境与生命周期之间的复杂相互作用。表皮作为生物力学壳，可控制器官尺度的生长特性，叶子的尺寸和形状最终通过扁平细胞缓慢的，不可逆的扩张来确定。

裂片扁平细胞形态是一种进化的节约特征，并且分支交错的生长驱动器官膨大，可能增加大型薄叶的机械韧性。尽管存在广泛的发生和广泛的裂片形态发生，但这种极化生长过程如何发生长期以来存在争议。已经提出了许多对裂片形成的不同机制，其中扁平细胞发育的极端异质性是解释之一。在器官的整个生命周期中，只有细微波动的细胞和具有高度复杂形状的细胞共存于同一叶扇区中。在传统研究中，不能从静态图像预测扁平细胞的生长轨迹。最新的方法使用延时测量来分析扁平细胞生长。然而，裂片起源于背斜壁中约 300 nm 的局部偏转，并出现在数十分钟的时间尺度内，目前没有任何蛋白质或重要参数被证明可以控制裂片的形成。最近主要基于扁平细胞或细胞壁成分的生物力学模拟结果出现了对分支交错生长的其他不同解释。有限元（FE）建模方法非常适合分析植物细胞形态发生，因为它模拟了薄壁加压壳的应力-应变关系，并且可以适应任何几何形状的细胞。

近日，来自美国普渡大学的研究团队在著名期刊“nature plants”在线发表了题为“Real-time conversion of tissue-scale mechanical forces into an interdigitated growth pattern”的文章，对裂片组织形态发生提出了最新的见解。

本研究中，研究人员开发了新的活细胞成像和互相关方法来观测叶形成和生长的机制。多通道成像管道用于在数小时内以十分钟为间隔准确绘制细胞形状和微管行为，揭示可准确预测叶起始位点的有效经面微管。突变体、抑制剂和有限元建模的组合用于显示“起始”细胞驱动对称性破坏中的微管-纤维素系统。细胞-细胞界面处基于果胶的粘附将极化生长局部耦合到相邻的“后续”细胞，以实现分支交错生长。基于通过纳米压痕实验验证的细胞壁特性的有限元模型用于表明细胞壁中的张力提供多尺度图案信息以定位形态上强大的微管。这些结果解释了机械力、细胞骨架系统和细胞壁系统如何影响组织形态发生，并为具有富含纤维素的细胞壁的植物细胞中的叶形成提供了一般性解释。本研究中的综合实验数据和有限元建模分析指出了在机械信号传递和极化形态发生过程中共享背斜壁和周-背斜壁界面的核心作用。共享壁整合了压力模式和生长状态，并决定了叶片局部的生长速度和方向。提出了对扁平细胞形状控制的新见解，并可以将细胞生长机制整合到平面器官如何发育的模型中。