Μια μικροσκοπική περιοχή στην άκρη της ρίζας έχει βρεθεί ότι είναι υπεύθυνη για την ενορχήστρωση της ανάπτυξης και της ανάπτυξης του πολύπλοκου δικτύου αγγειακών ιστών που μεταφέρουν σάκχαρα μέσω των ριζών των φυτών.

Σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη Σήμερα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων παρουσιάζει ένα λεπτομερές σχέδιο για το πώς φυτά κατασκευάζουν φλοίωμα κύτταρα— ο ιστός που είναι υπεύθυνος για τη μεταφορά και τη συσσώρευση σακχάρων και αμύλου στα μέρη του φυτού που συλλέγουμε (σπόροι, φρούτα και κόνδυλοι αποθήκευσης) για να θρέψουμε μεγάλο μέρος του κόσμου.

Αυτή η κομβική έρευνα αποκαλύπτει πώς εισέρχονται τα παγκόσμια σήματα ρίζα τα μεριστώματα συντονίζουν διακριτές φάσεις ωρίμανσης του ιστού του φυλλώματος.

Το φλοίωμα είναι ένας εξαιρετικά εξειδικευμένος αγγειακός ιστός που σχηματίζει ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο συνεχών κλώνων σε όλο το σώμα ενός φυτού. Μεταφέρει σάκχαρα, θρεπτικά συστατικά και μια σειρά από μόρια σηματοδότησης μεταξύ των φύλλων, των ριζών, των λουλουδιών και των καρπών.

Ως αποτέλεσμα, το φλόωμα είναι κεντρικό στη λειτουργία του φυτού. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ξεκινά και αναπτύσσεται το δίκτυο φλοίμων είναι σημαντική για μελλοντικές εφαρμογές στη γεωργία, τη δασοκομία και τη βιοτεχνολογία, καθώς θα μπορούσε να αποκαλύψει πώς να μεταφέρετε καλύτερα αυτήν την ενέργεια ζάχαρης εκεί που χρειάζεται.

Πώς χτίζουν τα φυτά μια λωρίδα ζάχαρης σε έναν αυτοκινητόδρομο με πολλές λωρίδες;

Οι ρίζες των φυτών συνεχίζουν να αναπτύσσονται σε όλη τη διάρκεια της ζωής ενός φυτού. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως απροσδιόριστη ανάπτυξη, σημαίνει ότι οι ρίζες επιμηκύνονται συνεχώς καθώς προσθέτουν νέους ιστούς στην άκρη της ρίζας – όπως η κατασκευή ενός ατέρμονου αυτοκινητόδρομου. Ένα συνεχές αρχείο από εξειδικευμένα κύτταρα φλοιώματος που εκτείνεται σε μήκος των ριζών (ανάλογα με μια λωρίδα σε έναν αυτοκινητόδρομο) παρέχει το κύριο θρεπτικό συστατικό, τη σακχαρόζη, στα μέρη του φυτού όπου χρειάζεται για την ανάπτυξη. Για να εκπληρώσει αυτόν τον ζωτικό ρόλο, ο ιστός του φλοίματος πρέπει να αναπτυχθεί και να ωριμάσει γρήγορα, ώστε να μπορεί να παρέχει σάκχαρα στους περιβάλλοντες ιστούς – παρόμοιο με την κατασκευή μιας λωρίδας εξυπηρέτησης που πρέπει να ολοκληρωθεί στο πρώτο στάδιο κατασκευής αυτοκινητόδρομου πολλαπλών λωρίδων κυκλοφορίας.

Το πρόβλημα που προβληματίζει για καιρό τους επιστήμονες των φυτών είναι πώς μια ενιαία διδακτική βαθμίδα πρωτεϊνών είναι σε θέση να σκηνοθετήσει τις φάσεις κατασκευής σε όλα τα διαφορετικά εξειδικευμένα κυτταρικά αρχεία (λωρίδες αυτοκινητοδρόμων) που υπάρχουν στις ρίζες. Το πώς ένας τύπος κυττάρου διαβάζει την ίδια κλίση με τους γείτονές του, αλλά την ερμηνεύει διαφορετικά για να σκηνοθετήσει τη δική του εξειδικευμένη ανάπτυξη είναι ένα ερώτημα που οι επιστήμονες των φυτών εργάζονται για να επιλύσουν.

Τα τελευταία 15 χρόνια, ερευνητές στις ομάδες του Yrjö Helariutta στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι^{έχουν αποκαλύψει τον κεντρικό ρόλο της επικοινωνίας από κύτταρο σε κύτταρο και τους πολύπλοκους μηχανισμούς ανάδρασης που εμπλέκονται στην αγγειακή διαμόρφωση. Αυτή η νέα έρευνα, που πραγματοποιήθηκε με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, αποκαλύπτει πώς αυτή η μοναδική λωρίδα κυττάρων φλοιώματος κατασκευάζεται ανεξάρτητα από τα γύρω κύτταρα.}

Η ομάδα Sainsbury/Helsinki ανατέμνε κάθε βήμα στην κατασκευή του αρχείου των κυττάρων φλοίματος (η λωρίδα μεταφοράς ζάχαρης) στο μοντέλο εργοστάσιο Arabidopsis thaliana χρησιμοποιώντας μονοκύτταρο RNA-seq και ζωντανή απεικόνιση. Η εργασία τους έδειξε πώς οι πρωτεΐνες που ελέγχουν την ευρεία βαθμίδα ωρίμανσης της ρίζας αλληλεπιδρούν με τη ρίζα γενετικός μηχανισμός που ελέγχει ειδικά την ανάπτυξη του φλοιώματος.

Αυτός είναι ένας μηχανισμός που φαίνεται να βοηθά το αρχείο του κυττάρου φλοίμου να παρακολουθεί γρήγορα την ωρίμανση χρησιμοποιώντας τον δικό του μηχανισμό για την ερμηνεία των ενδείξεων ωρίμανσης. Ο Δρ. Pawel Roszak, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU), εξηγεί: «Έχουμε δείξει πώς τα παγκόσμια σήματα στο ριζικό μερίστωμα αλληλεπιδρούν με τους ειδικούς παράγοντες του κυτταρικού τύπου για τον προσδιορισμό διακριτών φάσεων Η ανάπτυξη φλοιού σε κυτταρική ανάλυση Χρησιμοποιώντας ταξινόμηση κυττάρων ακολουθούμενη από βαθιά, υψηλής ανάλυσης αλληλουχία μονοκυττάρου του υποκείμενου ρυθμιστικού δικτύου γονιδίων αποκάλυψε έναν μηχανισμό αμοιβαίας γενετικής καταστολής που πυροδοτεί γρήγορες αναπτυξιακές μεταβάσεις.

Η ομάδα έδειξε επίσης πώς γίνεται η ανάπτυξη του φλοιού με την πάροδο του χρόνου, με τα πρώιμα γενετικά προγράμματα να αναστέλλουν τα όψιμα γενετικά προγράμματα και το αντίστροφο – ακριβώς όπως τα συνεργεία εργασίας ασφάλτου παραδίδουν την κατασκευή σε ζωγράφους λωρίδων στα τελευταία στάδια της κατασκευής του αυτοκινητόδρομου. Επιπρόσθετα, έδειξαν πώς οι πρώιμοι ρυθμιστές του φλοιώματος καθοδήγησαν συγκεκριμένα γονίδια να χωρίσουν τα κύτταρα του φλοιού σε δύο διαφορετικούς υποτύπους – όπως η κατασκευή μιας διχάλας στο δρόμο που οδηγεί σε δύο διαφορετικούς προορισμούς.

Ο συν-επικεφαλής της εργασίας, ο καθηγητής Yrjö Helariutta, είπε ότι η ομάδα του η ανασύνθεση των βημάτων από τη γέννηση έως την τελική διαφοροποίηση του πρωτοφλωμού στο Arabidopsis root εξέθεσε τα βήματα. Ο Helariutta είπε: «Απαιτούνται ευρείες διαβαθμίσεις ωρίμανσης που διασυνδέονται με ειδικούς μεταγραφικούς ρυθμιστές τύπου κυττάρου για τη σταδιακή κυτταρική διαφοροποίηση για την ανάπτυξη του φλοιώματος».

“Συνδυάζοντας τη μεταγραφομική μονοκυττάρων με ζωντανή απεικόνιση, εδώ έχουμε χαρτογραφήσει τα κυτταρικά συμβάντα από τη γέννηση του κυττάρου φλοίμου έως την τελική διαφοροποίησή του σε κύτταρα στοιχείων κόσκινου φλοιώματος. Αυτό μας επέτρεψε να αποκαλύψουμε γενετικούς μηχανισμούς που συντονίζουν την κυτταρική ωρίμανση και συνδέουν τον χρονισμό του γενετικού καταρράκτη στους ευρέως εκφραζόμενους κύριους ρυθμιστές της ωρίμανσης του μεριστώματος. Ο ακριβής χρονισμός των αναπτυξιακών μηχανισμών ήταν κρίσιμος για τη σωστή ανάπτυξη του φυλλώματος, με προφανείς μηχανισμούς “ασφαλούς αποτυχίας” για την εξασφάλιση μεταπτώσεων.”

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν περαιτέρω την εξέλιξη αυτών των μηχανισμών και εάν αυτά τα βήματα αναπαράγονται σε άλλες περιοχές φυτών και άλλων φυτικών ειδών.