拟南芥的拼图形表皮细胞。通过这种形状，细胞能够抵抗来自内部的压力。一个例外是气孔的间隙保护细胞，用于控制水和二氧化碳的流入和eflux。它们抗拒高压，因为它们如此小 - 如果保护电池更大，他们会爆炸。© mpi f。植物育种研究/史密斯
植物细胞处于巨大的压力。为了防止自己爆裂，植物必须提出独特的东西：据科洛尼斯最大普朗克植物育种研究所的科学家介绍了科隆植物育种研究所，具有不规则形状的表皮细胞可以经常比圆形和其他均匀形状的细胞更好的内部压力。
非木质植物没有骨架来支持它们。因此，为了保持直立和无视环境力，它们的细胞是膨胀的气球构造的。因为细胞质含有比细胞的周围环境更高浓度的溶解物质，所以外部的水流入细胞中，产生称为托尔戈尔压力的内容。Turgor压力，可达到20巴或更长时间，压在细胞壁上。为了抵抗该压力，壁由刚性凝胶制成，耐纤维素纤维增强，纤维素纤维恒定地重新排列以使细胞生长。
然而，根据基于科隆的研究人员的研究结果，单独的细胞壁并不总是足以防止植物细胞爆裂。虽然植物内部的细胞的压力被相邻细胞的压力偏移，但表面细胞暴露于尤其高的应力。
这可能是解释许多植物表面细胞的非凡形状吗？表皮细胞看起来像拼图带有互锁突片和口袋。使用专门开发的计算机模型，科学家们计算了各种形状细胞中的内部压力。“由于它们的不规则形状，表面细胞能够显着降低由Turgor压力引起的机械应力。形状像拼图件的细胞需要较少的细胞壁来抵抗Turgor，可能节省了植物重要资源，“Max Planck植物育种研究所的Richard Smith表示。
植物细胞的模型：科学家们发现较小的圆圈（黄色）较小，符合电池内部的压力越小。因此，这样的难题形状的细胞特别容易处理其Turgor。© mpi f。植物育种研究/史密斯
表格遵循增长
然而，并非所有植物表皮细胞都像拼图块一样。因此，科学家比较了各种植物，发现细胞形状取决于器官如何生长：“具有优先生长方向的器官，例如根和茎，通常具有圆柱形电池。相比之下，叶子在所有方向上或多或少地均匀地生长，几乎具有不规则形状的表皮细胞，“史密斯说。在基因改性植物的实验中，他们表明表皮细胞的形状取决于生长的类型。例如，如果遗传修饰的Thale Cress（拟南芥）以使其叶子具有占优势的生长方向，则表皮细胞在常规代替拼图形状上。
长细胞或具有拼图形状的那些没有大的开放区域，倾向于膨胀而不从跨壁的支撑件，并且能够更好地抵挡托尔压力。研究人员用虚拟植物组织的机械计算机模型确认了这一假设。然后，他们继续开发一种不断增长的模型，其中细胞响应压力而改变它们的形状。当科学家们在所有方向上生长虚拟表皮时，表皮就像拼图一样。相比之下，当表皮主要在一个方向上生长时，细胞均匀形状。通过改变其他参数，例如最大开放区域的最大尺寸，或墙壁的刚度，程序甚至能够产生自然界中发生的其他细胞形状。
没有信令分子的通信？
根据其模型，发生各种细胞形状而不需要细胞通过化学信使彼此沟通。很多工作都集中在想法的想法，即想要形成标签的细胞可以使用这种化学使者告诉邻居腾出空间并形成相应的口袋。“我们不知道是否参与了化学信使，但我们的模型表明它不是必需的，”史密斯说。相反，细胞还可以纯粹通过它们施加在邻居上的力来沟通和触发形状。
该研究提供了对几何形状如何影响细胞的机制的洞察力，以及工厂如何使用细胞形状来优化其资源的使用，因为工厂“增长”其结构。今天，存在许多生物启发的合成材料。拼图形状以及植物如何利用它，可以提供对新材料和结构的设计的有价值的洞察力，可能会通知依赖于它们的形状的充气“细胞”的建筑物的设计。这些申请将尤为相关，因为科学家开始探索成长的材料。
出版物：Aleksandra Sapala，等，“为什么植物制作益智细胞，以及他们的形状如何出现，”Elife，2018; DOI：10.7554 / Elife.32794
