Корневой чехлик и корневые волоски: Практическая работа «Строение корневых волосков и корневого чехлика»

Рост корня зависит от времени года и вида растений. Наиболее быстрым рост корней бывает весной. С октября по декабрь рост корня приостанавливается. В период прекращения роста некоторая часть корней отмирает. Наиболее активно питательные вещества и воду корни используют в период интенсивного роста.


Корень растет своей верхушкой, поскольку там находится точка роста, состоящая из образовательной ткани.

Корень состоит из нескольких зон. В зоне деления интенсивно размножаются (делятся) клетки образовательной ткани. В зоне роста делятся только отдельные клетки. Зона всасывания густо покрыта волосками. Каждый волосок всасывает воду с растворенными в ней минеральными солями.
Зона проведения ответственна за снабжение других органов растения всасываемыми веществами.Корневой чехлик не относится к зонам корня. Он покрывает снаружи и защищает верхушку корня.

Тест на тему: «Зоны корня»

Лимит времени: 0

0 из 15 заданий окончено

Вопросы:

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

Информация

Проверочное тестовое задание включает в себя вопросы с одним и несколькими правильными ответами

Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.

Тест загружается…

Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.

Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:

Правильных ответов: 0 из 15

Ваше время:

Время вышло

Вы набрали 0 из 0 баллов (0)

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
10. 10
11. 11
12. 12
13. 13
14. 14
15. 15

1. С ответом
2. С отметкой о просмотре

корней | Биология I

Корни семенных растений выполняют три основные функции: прикрепляют растение к почве, поглощают воду и минералы и транспортируют их вверх, а также накапливают продукты фотосинтеза. Некоторые корни модифицированы для поглощения влаги и обмена газов. Большинство корней находится под землей. Однако у некоторых растений есть придаточных корня , которые выходят над землей из побега.

Типы корневых систем

Корневые системы в основном бывают двух типов (Рисунок 1).У двудольных растений стержневая корневая система, а у однодольных — мочковатая корневая система. Система стержневого корня имеет основной корень, который растет вертикально вниз, из которого возникает множество более мелких боковых корней. Одуванчики — хороший тому пример; их стержневые корни обычно отламываются при попытке вырвать эти сорняки, и они могут вырастить новый побег из оставшегося корня). Система стержневого корня глубоко проникает в почву. В отличие от этого, волокнистая корневая система расположена ближе к поверхности почвы и образует плотную сеть корней, которая также помогает предотвратить эрозию почвы (хорошим примером являются газонные травы, а также пшеница, рис и кукуруза).Некоторые растения имеют сочетание стержневых и волокнистых корней. Растения, произрастающие в засушливых районах, часто имеют глубокую корневую систему, тогда как растения, произрастающие в районах с обильным количеством воды, обычно имеют более мелкую корневую систему.

Рис. 1. (a) Системы стержневых корней имеют главный корень, который растет вниз, в то время как (b) мочковатые корневые системы состоят из множества мелких корней. (кредит b: модификация работы «Остин Квадратные Штаны» / Flickr)

Рост и анатомия корня

Рис. 2. Продольный вид корня показывает зоны деления, удлинения и созревания клеток.Деление клеток происходит в апикальной меристеме.

Рост корней начинается с прорастания семян. Когда зародыш растения выходит из семени, корешок зародыша образует корневую систему. Кончик корня защищен корнем , структурой, характерной только для корней и не похожей на любую другую структуру растения. Корневой покров постоянно заменяется, потому что он легко повреждается, когда корень проталкивается через почву. Кончик корня можно разделить на три зоны: зону деления клеток, зону растяжения и зону созревания и дифференцировки (рис. 2).Зона деления клеток находится ближе всего к кончику корня; он состоит из активно делящихся клеток корневой меристемы. Зона удлинения — это место, где вновь образованные клетки увеличиваются в длине, тем самым удлиняя корень. Начиная с первых корневых волосков, это зона созревания клеток, где корневые клетки начинают дифференцироваться в особые типы клеток. Все три зоны находятся в первом сантиметре или около того от кончика корня.

Корень имеет внешний слой клеток, называемый эпидермисом, который окружает участки основной ткани и сосудистой ткани.Эпидермис обеспечивает защиту и способствует абсорбции. Корневые волоски , являющиеся продолжением клеток эпидермиса корня, увеличивают площадь поверхности корня, в значительной степени способствуя поглощению воды и минералов.

Рис. 3. Окрашивание выявляет различные типы клеток на этой световой микрофотографии поперечного сечения корня пшеницы ( Triticum ). Клетки склеренхимы экзодермы и клетки ксилемы окрашиваются в красный цвет, а клетки флоэмы окрашиваются в синий цвет. Другие типы клеток окрашиваются в черный цвет. Стела или сосудистая ткань — это область внутри энтодермы (обозначена зеленым кольцом).За пределами эпидермиса видны корневые волоски. (кредит: данные шкалы от Мэтта Рассела)

Внутри корня наземная ткань образует две области: кору и сердцевину (рис. 3). По сравнению со стеблями у корней много коркового слоя и мало сердцевины. В обоих регионах есть клетки, в которых хранятся продукты фотосинтеза. Кора находится между эпидермисом и сосудистой тканью, а сердцевина — между сосудистой тканью и центром корня.

Сосудистая ткань корня расположена во внутренней части корня, которая называется стелой (рис. 4).Слой клеток, известный как энтодерма , отделяет стелу от наземной ткани во внешней части корня. Эндодерма находится исключительно в корнях и служит контрольной точкой для материалов, попадающих в сосудистую систему корня. На стенках энтодермальных клеток присутствует восковое вещество, называемое суберином. Эта восковая область, известная как полоска Casparian , заставляет воду и растворенные вещества пересекать плазматические мембраны энтодермальных клеток, а не скользить между ними.Это гарантирует, что только материалы, необходимые для корня, проходят через энтодерму, в то время как токсичные вещества и патогены, как правило, исключаются. Самый внешний клеточный слой сосудистой ткани корня — это перицикл , область, которая может давать начало боковым корням. У двудольных корней ксилема и флоэма стелы расположены попеременно в форме X, тогда как у однодольных корни сосудистой ткани расположены кольцом вокруг сердцевины.

Рис. 4. У типичных двудольных (слева) сосудистая ткань образует X-образную форму в центре корня.В (справа) типичных однодольных растения клетки флоэмы и более крупные клетки ксилемы образуют характерное кольцо вокруг центральной сердцевины.

Модификации корня

Рис. 5. Многие овощи представляют собой модифицированные корнеплоды.

Корневые структуры могут быть изменены для определенных целей. Например, некоторые корни луковичные и накапливают крахмал. Воздушные корни и опорные корни — это две формы надземных корней, которые обеспечивают дополнительную поддержку для закрепления растения. Основные корнеплоды, такие как морковь, репа и свекла, являются примерами корней, модифицированных для хранения продуктов (рис. 5).

Эпифитные корни позволяют растению расти на другом растении. Например, эпифитные корни орхидей развивают губчатую ткань для поглощения влаги. Баньяновое дерево ( Ficus sp.) Начинается как эпифит, прорастающий в ветвях дерева-хозяина; воздушные корни развиваются из ветвей и в конечном итоге достигают земли, обеспечивая дополнительную поддержку (рис. 6). У винта ( Pandanus sp.), Пальмоподобного дерева, которое растет на песчаных тропических почвах, надземные опорные корни развиваются из узлов, чтобы обеспечить дополнительную поддержку.

Рис. 6. (а) баньяновое дерево, также известное как фиговый душитель, начинает жизнь как эпифит в дереве-хозяине. Воздушные корни доходят до земли и поддерживают растущее растение, которое в конечном итоге душит дерево-хозяин. (B) винт развивает надземные корни, которые помогают поддерживать растение в песчаных почвах. (кредит а: модификация работы «психерартиста» / Flickr; кредит б: модификация работы Дэвида Эйкхоффа)

Практические вопросы

Сравните стержневую корневую систему с мочковатой корневой системой.Для каждого вида назовите растение, обеспечивающее пищу в рационе человека. Какой тип корневой системы встречается у однодольных? Какой тип корневой системы встречается у двудольных растений?

Система стержневого корня имеет единственный основной корень, который растет вниз. Мочковатая корневая система образует плотную сеть корней, которая находится ближе к поверхности почвы. Примером стержневой корневой системы является морковь. Травы, такие как пшеница, рис и кукуруза, являются примерами волокнистой корневой системы. У однодольных растений есть волокнистая корневая система; Системы стержневого корня встречаются у двудольных растений.

Что может случиться с корнем, если перицикл исчезнет?

Корень не может давать боковые корни.

корней в растениях | CANNA Gardens USA

Корни — одна из важнейших частей растения, поглощающих питательные вещества и воду. Для некоторых цветоводов они настолько важны, что перед поливом всегда проверяют корневую систему.

Питер Клаассен Исследования CANNA

Фундамент

Растениям нужны корни, чтобы они оставались вертикальными и не уносились ветром.Вода и питательные вещества также попадают в растение через корневую систему.

Корневая система будет увеличиваться в объеме до тех пор, пока растение в целом, включая листву, продолжает расти. Когда будет достигнуто определенное равновесие, растение просто сохранит свой объем и перестанет расти. Даже в этом состоянии равновесия корни продолжают расти, но также частично отмирают. Чтобы лучше это понять, нам придется разделить корневую систему на части.

Корневая система

Как уже упоминалось, корневая система будет увеличиваться в объеме только до тех пор, пока остальная часть растения продолжает расти.Однако транспирация листьев также может привести к образованию большего количества корней, чтобы накачать необходимую воду. В конце концов, между корнями и растением устанавливается равновесие. Общее практическое правило состоит в том, что корневая система должна составлять 30% от общего объема растения. Хотя это правило довольно последовательно применяется к растениям на открытом воздухе, в субстратной культуре это не всегда так. Вы можете выращивать большие растения в маленьких горшках, если снабжаете их водой и питательными веществами и не позволяете горшку становиться слишком сухим или слишком влажным.Чтобы снизить вероятность этого, мы советуем использовать большой средний объем.

В гидрокультурах вы также увидите, что для выращивания более крупного растения требуется меньше корней. Это потому, что каждый корневой волос может поглощать больше воды и питательных веществ. Это одна из причин того, что гидрокультура может давать более высокие урожаи.

Корневые волоски

Верхушка корня и поперечное сечение верхушки корня

Корневые волоски — это место, где поглощается большая часть питательных веществ и воды.На кончике корня ежедневно образуются новые клетки, а значит, и корневые волоски. Когда растению не хватает воды и / или питательных веществ, оно выделяет больше ассимилятов (энергии фотосинтеза) на производство большего количества клеток в кончике корня. Это также создает больше корневых волосков, пока корень не найдет то, что нужно растению (больше воды или питательных веществ). Тогда самые старые корневые волоски отомрут.

На практике, когда среда становится суше, корень начинает искать воду и производит больше клеток и, следовательно, больше корневых волосков.Поглощающая способность увеличивается, потому что образуется больше корневых волосков. Но самые молодые корневые волоски попадут в еще более «влажную» почву. Растение все еще может поглощать воду, а иногда и больше! Вот почему общий совет — выращивать на сухой стороне: когда вы поливаете, некоторые корневые волоски становятся лишними. Чтобы ограничить потерю энергии (энергию диссимиляции), самые старые корневые волоски отмирают.

Если дать растению слишком много воды, все корневые волоски отомрут. Фактически корни тонут, и требуется не менее трех дней, прежде чем на кончике корня образуется достаточно новых клеток с корневыми волосками.Отмирание корневых волосков происходит также после пересадки растений или после их очень грубого перемещения. Поэтому в этом случае осторожно включайте климат-контроль в первые 3 дня.
И обратите внимание на полив: не переусердствуйте, но, с другой стороны, не позволяйте растению слишком сильно пересыхать.

Корень

В отличие от корневых волосков, сами корни видны человеку. Клетки корня, на этот раз без корневых волосков, будут растягиваться, чтобы дать возможность самой молодой части корня двигаться вперед.Крайние клетки корня суберизуются (образуют твердую поверхность, как кора дерева), после чего они служат только трубопроводом для транспортировки воды и поглощенных питательных веществ к стеблю и остальным частям растения.

Растения в вегетативной фазе увеличиваются в весе как над, так и под землей. Даже на первой стадии генеративной фазы площадь поверхности листьев будет увеличиваться, а активный климат заставит корни увеличиваться в объеме. В конце концов, равновесие будет достигнуто.Это максимальное равновесие обычно наступает по истечении от 50% до 70% периода цветения (например, 6-я неделя 10-недельного цикла роста).

В почвенных смесях растение может поглощать от 5 до 6 литров воды / м2 в день. Но в гидрокультурах больше воды может быть поглощено меньшим количеством кончиков корней (но не меньшим количеством корневых волосков!).

Кончики корней

В конце каждого корня находится кончик корня. Верхушка корня состоит из корневой шляпки и точки роста. Корневая шляпка очень твердая и защищает точку роста.На самом деле он настолько твердый, что может прорваться и прорасти через асфальт, если крышка имеет достаточно энергии.

В точке роста за крышкой создаются новые ячейки. Здесь также производятся важнейшие растительные гормоны. Они не будут обсуждаться в этой статье. Для получения дополнительной информации о гормонах растений см. CANNAtalk 9. Именно эти новые клетки заставляют корни расти дальше в среде. Корни могут делать это не только потому, что создаются новые клетки, но и потому, что существующие клетки растягиваются.Первые клетки также содержат выпуклости, называемые корневыми волосками.

Корневые волосы

ВВЕДЕНИЕ

Корневые волосы представляют собой длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня. У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр примерно 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (рис. 1). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Hofer, 1991).

Корневые волоски у Arabidopsis привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они предоставляют многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии (Schiefelbein and Somerville, 1990). Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды.Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков. Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, выращенных на определенных средах в чашках Петри (рис. 2).Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, организованных в файлы, исходящие из кончика корня (рис. 3). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

Рис. 1.

Сканирующая электронная микрофотография корневой волосковой клетки. Волосы, производимые этой клеткой, составляют примерно 1/3 конечной длины.

Рисунок 2.

Развитие проростков арабидопсиса на питательной среде, отвержденной агарозой, в вертикально ориентированных чашках Петри. Корни растут вдоль поверхности среды, и корневые волоски легко визуализируются с помощью микроскопа с малым увеличением.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса. Особое внимание уделяется недавним открытиям с использованием молекулярной генетики для изучения развития корневых волосков. Опубликованы недавние обзоры, в которых подчеркиваются различные аспекты корневых волосков Arabidopsis (Ishida et al., 2008; Schiefelbein et al., 2009; Томинага-Вада и др., 2011; Бенитес и др., 2011; Ryu et al., 2013).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРНЕВЫХ КЛЕТОК ВОЛОС

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки). Таким образом, первый шаг в развитии корневых волосков — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, чтобы дифференцироваться как корневые волосковые клетки, а не как неволосковые клетки.Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня Arabidopsis образуется из набора из 16 исходных (стволовых) клеток, которые образуются в процессе эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Baum and Rost, 1996; см. Также главу, посвященную корневым клеткам). развитие в этой книге). Эти инициалы называются инициалами эпидермального / бокового корня крышки, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же файле (Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность приводит к тому, что наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток в корне проростка варьируется от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Баум и Рост, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Рисунок 3.

Фотография кончика корня, показывающая прогрессивное развитие корневых волосковых клеток.

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; 1949; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Голуэй и др., 1994). Корневые волосковые клетки присутствуют за пределами межклеточного пространства между двумя нижележащими кортикальными клетками (т. Е. Расположены за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, называемой положением «H»), тогда как неволосковые клетки присутствуют над одной кортикальной клеткой (т. Е. Расположены вне стенка периклинальных клеток коры головного мозга, называемая позицией «N») (рис. 4). Поскольку первичный корень Arabidopsis постоянно содержит восемь файлов кортикальных клеток, существует восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Голуэй и др., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Исключение из этого паттерна существует около соединения корень-гипокотиль, в области, содержащей 3-7 ярусов клеток, называемой цангой (Parsons, 2009). Здесь каждая эпидермальная клетка образует удлинение в виде корневого волоска во время раннего роста проростков (Scheres et al., 1994; Lin and Schiefelbein, 2007; Sliwinska et al., 2012). В соответствии с этим исключительным паттерном гены, которые определяют неволосую судьбу, не активны в этой области (Lin and Schiefelbein, 2007). Интересно, что эта область отличается от остальной части корня наличием второго (неполного) слоя корковых клеток (Lin and Schiefelbein, 2007) из-за перехода от клеточной анатомии гипокотиля (два кортикальных слоя) к корню (один корковый слой). Более того, корневые волоски в цанге возникают синхронно, а не прогрессивное образование корневых волосков внутри клеточных файлов на верхушке корня (Sliwinska et al., 2012).

Рис. 4.

Поперечный срез корня арабидопсиса, показывающий зависящий от положения паттерн волосковых клеток и неволосковых клеток. Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток). На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Информация о характере клеточного паттерна

Информация, которая управляет зависимым от положения паттерном эпидермальных клеток, предоставляется на ранней стадии развития эпидермиса, поскольку незрелые эпидермальные клетки, предназначенные для превращения в клетки корневых волосков (трихобласты), можно отличить от незрелых неволосковые клетки (атрихобласты) до отрастания волос.В частности, дифференцирующиеся корневые волосковые клетки демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкой скоростью вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальным орнаментом клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельными эпитопами клеточной стенки (Freshour et al. , 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2: At1g79840 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (рис. 5). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что подразумевает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих исходных клетках и / или их непосредственных дочерей (Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998a).

Присутствие дифференциальной экспрессии генов в ранней меристеме привело к возможности, что паттерн эпидермальных клеток может быть инициирован во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (Рисунок 6).GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров экспрессия обнаруживается в зависимом от положения эпидермальном паттерне, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевого корня и действует для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к соответствующей дифференцировке постэмбрионального типа клеток.

Рисунок 5.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня.

(A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм.

(B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Чтобы определить, предоставляется ли информация о положении эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали гены-маркеры и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (рис. 7). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждом из этих наборов экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Рисунок 6.

Эмбриональная экспрессия слитого репортера GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций удаляли специфические кортикальные клетки линии J2301 таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Спецификация молекулярной генетики корневых волосковых клеток

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (в дополнительной таблице 1 (табл.0172-table-1.docx); Рисунок 8). Мутации в WEREWOLF (WER: At5g14750), TRANSPARENT TESTA GLABRA (TTG: At5g24520), GLABRA3 (GL3: At5g41315) / ENHANCER OF GLABRA3 (EGL3: At1g63650), на всех генах волос и образуют корневых эпидермальных клеток, что подразумевает, что нормальная роль WER, TTG, GL3 / EGL3, и GL2 заключается в стимулировании дифференцировки неволосовых клеток и / или подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina и другие., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбейн, 1999; Bernhardt et al., 2003). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; например, мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть более ранними (и в более широком смысле) действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Рисунок 7.

Экспрессия репортерного слияния GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2 . Пруток = 10 мкм.

Рис. 8.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов по спецификации клеток.

(A) Дикий тип.

(B) Пример мутанта эктопических волос ( wer ).

(C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc). Bar = 500 мкм для всех изображений.

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999). Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана в мутанте wer .Помимо ДНК-связывающих доменов MYB, белок WER обладает участком, взаимодействующим с фосфатидной кислотой (PA), участвующим в ядерной локализации (Yao et al., 2013). В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихома, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов. Близкородственный ген, MYB23 ( At5g40330 ), кодирует белок с биохимической функцией, аналогичной WER, и проявляет специфичную для N-клеток экспрессию, которая зависит от WER, GL3 / EGL3 и TTG (Kang et al. ., 2009).

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания его роли, TTG способен физически взаимодействовать с основными активаторами транскрипции «спираль-петля-спираль» (bHLH) GL3 и EGL3, которые действуют частично функционально избыточным образом (Bernhardt et al. 2003 г.). GL3 и EGL3 также физически взаимодействуют с WER (Bernhardt et al., 2003; Song et al., 2011), это означает, что трехчастный комплекс факторов транскрипции ответственен за управление судьбой неволосковых клеток.

Ген GL2 кодирует белок гомеодоменного фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он предпочтительно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематической и элонгационной областях корень (Masucci et al., 1996; рисунок 5). Как описано выше, экспрессия , GL2, инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001).Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER, GL3 / EGL3, и TTG ; Мутации wer практически отменяют активность промотора GL2 , в то время как мутации ttg и gl3 egl3 снижают активность промотора GL2 (Hung et al., 1998; Lee and Schiefelbein, 1999; Lin and Schiefelbein, 2001; Bernhardt et al. др., 2003). Поскольку соответствующая зависимая от положения клетки экспрессия GL2 присутствует в мутантах ttg и gl3 egl3 , но не в мутанте wer , это означает, что WER является наиболее важным для передачи позиционной информации для экспрессии GL2 .Взятые вместе, текущая точка зрения состоит в том, что белки WER, TTG и GL3 / EGL3 действуют в составе транскрипционного комплекса на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в зависящий от положения ячейки способ, чтобы указать неволосковый тип клеток.

Другой ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC: At2g46410 ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc производит уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является позитивным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc, , что предполагает, что CPC действует в пути WER / TTG / GL3 / EGL3 / GL2 как негативный регулятор GL2. Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с одним повтором R3 Myb с bHLH- и ДНК-связывающими доменами, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). В соответствии с этой структурой, CPC, по-видимому, ингибирует функцию комплекса WER-GL3 / EGL3-TTG, препятствуя связыванию WER с GL3 / EGL3 конкурентным образом (Lee and Schiefelbein, 2002; Tominaga et al., 2007; Song et al., 2007; Song et al. др., 2011; Канг и др., 2013). Интересно, что CPC способен перемещаться от клетки к клетке в развивающемся корне, что позволяет ему действовать как сигнальная молекула для репрессии спецификации судьбы неволосковых клеток в соседних H-клетках (Kurata et al., 2005; Kang et al. , 2013).Предполагается, что его преимущественное накопление в H-клетках связано с захватом белка CPC с помощью EGL3 (Kang et al., 2013). Поскольку транскрипция CPC позитивно регулируется комплексом WER-GL3 / EGL3-TTG, его негативный эффект на действие этого комплекса представляет собой межклеточную петлю отрицательной обратной связи (Ryu et al., 2005). В дополнение к CPC, несколько родственных белков R3 Myb, как было показано, действуют частично избыточным образом, включая те, которые кодируются TRIPTYCHON ( TRY: At5g53200 ) и ENHANCER OF TRY AND CPC1 ( At1g01380 ) (Schellman и другие., 2002; Кирик и др., 2004; Саймон и др., 2007; Серна, 2008; Wang et al., 2010).

Другая петля обратной связи транскрипции влияет на экспрессию генов GL3 и EGL3 . Хотя слитые белки GL3 накапливаются в N-клеточном положении, гены GL3 и EGL3 предпочтительно транскрибируются в H-клеточном положении из-за негативной регуляции комплексом WER-GL3 / EGL3-TTG (Bernhardt et al. , 2005). Это означает, что подобно белкам семейства CPC, белки bHLH GL3 и EGL3 также могут перемещаться через плазмодесмы; хотя в этом случае от H до N ячеек.Основываясь на математическом моделировании, эти взаимосвязанные петли межклеточной обратной связи, как предполагается, обеспечивают стабильность и надежность для установления паттерна клеточного типа (Savage et al. 2008).

Ген SCRAMBLED ( SCM: At1g11130 ) отличается от предыдущих генов, поскольку его мутантный фенотип не устраняет один из типов эпидермальных клеток, а просто изменяет распределение корневых волосковых и неволосковых клеток (Kwak et al, 2005). SCM кодирует киназу, подобную рецептору с богатым лейцином повтора (LRR-RLK), которая, по-видимому, позволяет эпидермальным клеткам воспринимать свое относительное положение клеток (Kwak et al, 2005), и в результате они достигают различных паттернов экспрессии генов. и усыновить соответствующие судьбы.Интересно, что сам ген SCM находится под регуляцией транскрипционной обратной связи комплекса WER-GL3 / EGL3-TTG, поскольку клетки в N-положении демонстрируют комплексно-зависимое снижение накопления SCM по сравнению с клетками в H-положении (Kwak and Schiefelbein , 2008). Эта отрицательная регуляторная петля может служить для усиления передачи сигналов SCM в клетках H-позиции.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 2002; Figure 9).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих наборов факторов транскрипции, белков R2R3 WER и MYB23 по сравнению с одноповторными Mybs CPC, TRY и ETC1. Они способны образовывать активный или неактивный комплекс, соответственно, с белками TTG и GL3 / EGL3. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в позиции N присутствует относительно высокий уровень WER, что приводит преимущественно к образованию активного комплекса, экспрессии GL2 (и, вероятно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток. .С другой стороны, предполагается, что незрелые эпидермальные клетки, расположенные в положении H, накапливают относительно высокий уровень CPC, что приводит к неактивным комплексам, репрессии GL2, и дифференцировке волосковых клеток. Предполагается, что рецептор SCM опосредует эффекты сигнала положения и инициирует дифференциальное накопление регуляторов WER и CPC. Считается, что нисходящие петли обратной связи, включая отрицательный эффект CPC и положительную регуляцию с помощью MYB23, стабилизируют и усиливают начальную асимметрию в паттернах экспрессии генов.

Рис. 9.

Модель для спецификации корневых волосков и неволосовых типов клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть клетками корневых волосков (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N). В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, тупые линии указывают на отрицательную регуляцию, а пунктирные линии указывают на межклеточное или внутриклеточное перемещение белков.Эффекты на нижестоящие гены модифицированы из Bruex et al., 2012.

В дополнение к генам, описанным выше, другие локусы были определены с помощью мутаций, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся гены ROOTHAIRLESS ( RHL ), RHL1 (At1g48380), RHL2 (At5g02820), и RHL3 (At3g20780), и ERTOPIC genet ROOT ROOT HA , ERh3 / POM1 ( At1g05850 ) и ERh4 (At1g80350) (Schneider et al., 1997), а также гены TORNADO ( TRN ) TRN1 / LOP1 ( At5g55540 ) и TRN2 / TET1 (At5g46700) (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Три гена RHL кодируют компоненты комплекса ДНК топоизомеразы VI и участвуют в эндоредупликации (Guimil and Dunand, 2006).RHL1 локализован в ядре, но он не регулирует , GL2 , это указывает на то, что он действует на независимом генетическом пути, который необходим для судьбы волосковых клеток (Schneider et al., 1998, Sugimoto-Shirasu et al. 2005).

Идентифицировано лишь несколько генов / белков, которые, вероятно, действуют выше транскрипционных факторов, которые определяют судьбу эпидермальных клеток. К ним относятся ген, влияющий на ацетилирование гистонов, HISTONE DEACETYLASE18 ( HDA18 : At5g61070 ).Мутации в HDA18 или обработка трихостатином А (ингибитор гистоновой деацетилазы) заставляют клетки в N-положении дифференцироваться как корневые волосковые клетки (Xu et al., 2005), подразумевая, что эпигенетические факторы также влияют на судьбу эпидермальных клеток (Guimil and Dunand, 2006 г.). Мутации в гене JACKDAW ( JKD: At5g03150 ), кодирующем предполагаемый фактор транскрипции цинкового пальца, вызывают множественные дефекты формирования паттерна в корне арабидопсиса, включая аномальное расположение типов волосковых и неволосых клеток (Hassan et al., 2010). JKD, вероятно, действует косвенно, влияя на дифференциальную экспрессию транскрипционных регуляторов формирования эпидермального паттерна.

Транскрипционный регуляторный комплекс WER-GL3 / EGL3-TTG, описанный в этом разделе, влияет на экспрессию или активность многих нижестоящих генов / белков, которые контролируют дифференцировку корневых или неволосовых клеток. Широкомасштабная идентификация нижестоящих генов была проведена с использованием нескольких стратегий профилирования транскриптов на основе микрочипов, включая подход мутантного морфогенеза, который идентифицировал гены, дифференциально экспрессируемые в мутанте rhd2 vs.дикого типа (Jones et al., 2006), подход, основанный на цис-элементах, сосредоточенный на предполагаемом элементе, специфичном для корневых волосков (Won et al., 2009), и подходах к сортировке клеток для выявления генов, преимущественно экспрессируемых в клетках корневых волосков и неволосковые клетки (Brady et al., 2007) или гены, которые демонстрируют дифференциальное накопление транскриптов в мутантах hairy ttg, wer myb23, и gl3 egl3 по сравнению с бесшерстным двойным мутантом cpc try (Bruex et al. ., 2012).

Компьютерное моделирование формирования эпидермального паттерна корня

Недавние достижения в области вычислительной мощности и программного обеспечения привлекли исследователей к применению компьютерного моделирования к системе формирования эпидермального паттерна Arabidopsis.До сих пор усилия были сосредоточены на моделировании накопления центрального транскрипционного комплекса, в значительной степени основанном на классических механизмах «реакция-диффузия», описанных Turing и др. (Turing, 1952). Эти исследования показали, что простые правила, включая локальное самоусиление и долгосрочное ингибирование, могут генерировать различные паттерны экспрессии генов в поле клеток, которые имитируют наблюдаемый паттерн эпидермиса корня (Benitez et al., 2007; Savage et al. , 2008).

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между спецификацией клеток в корне и в надземных органах растения Arabidopsis.Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя гипокотиль не производит корневых волосков, есть два отдельных файла эпидермальных клеток в гипокотиле Arabidopsis, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998). ; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной стенки кортикальных клеток, что эквивалентно положению Н-клеток в эпидермисе корня.Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами стенки периклинальных кортикальных клеток, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня подвергаются аналогичной позиционно-зависимой клеточной дифференцировке, чтобы генерировать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах.Мутанты wer, ttg, и gl2 демонстрируют изменения в формировании паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных за пределами периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. ., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999), тогда как мутанты cpc и try обладают сниженным образованием устьиц (Serna, 2008). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER, GL2, и J2301 предпочтительно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999) (рисунок 10). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / CPC / TRY / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне. и неустьичные клетки эпидермиса гипокотиля.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG, GL3 / EGL3, CPC / TRY и GL2 также влияют на образование трихом в эпидермисе побегов арабидопсиса (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Ларкин и др., 1997; Кирик и др., 2004; см. Также главу о трихомах в этой книге). Кроме того, паттерны экспрессии генов предполагают, что белок WRKY, кодируемый TRANSPARENT TESTA GLABRA2 ( TTG2 ; At2g37260 ), действует как в спецификации трихомных, так и некорневых волосковых клеток (Johnson et al., 2002; Исида и др., 2007; Саймон и др., 2013). Интересно, что эпидермис побега и корня использует функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GLABROUS1 ( GLT. At3g27920 ) (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001). Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом.Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки TTG, CPC / TRY, GL3 / EGL3 и GL2 противоположным образом контролируют формирование эпидермальных волос в корне и на листе. Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Возможно, эти белки являются частью эпидермальной транскрипционной кассеты, которая была задействована для участия в обоих механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Фиг.10.

Экспрессия репортерного слияния GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS , расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки. Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что ауксин и этилен способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток арабидопсиса. Например, обработка корней проростков арабидопсиса 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислотой (АСС, предшественник этилена) индуцирует эктопические корневые волосковые клетки (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1: At5g03730 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, которая, как предполагается, негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993), также приводит к некоторым эктопическим корням. образование волос (Dolan et al., 1994; Ikeda et al., 2009). В соответствии с этим, клетки эпидермиса в положении H более чувствительны к индуцирующему волосы эффекту этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня проявляется мутациями в AUXIN RESISTANT2 ( AXR2: At3g23050 ; устойчивость к ауксину, этилену и абсцизовой кислоте) и AUXIN RESISTANT3 ( AXR3: At1g04250 ); ауксин в формировании корневых волосков (Mizra et al., 1984; Wilson et al., 1990; Leyser et al. 1996). Кроме того, мутации в гене ROOT HAIR DEFECTIVE 6 ( RHD6: At1g66470 ) гена bHLH (Menand et al., 2007), которые вызывают фенотип безволосого корня, могут быть подавлены включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в питательную среду (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны влияют на дифференцировку корневых волосковых клеток, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотора-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не оказывает значительного влияния на путь WER / TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что этиленовые и ауксиновые пути способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Мутации в генах AXR2 и RHD6 уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены способствуют раннему установлению идентичности клеток. Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня.

Помимо ауксина и этилена, на развитие корневых волосков влияют и другие гормоны растений. Добавление брассинолида и мутаций bri1 вызывает противоположные изменения в экспрессии регуляторов судьбы клеток и в структуре корневых волосков, указывая тем самым, что брассиностероиды действуют на ранней стадии, способствуя судьбе волосковых клеток (Kuppusamy et al., 2009). Кроме того, синтетический стриголактон GR24 увеличивает длину корневых волосков, возможно, препятствуя росту клеток, регулируемых ауксином, что предполагает роль стриголактона на более поздних стадиях образования корневых волосков (Kapulnik et al., 2011). Наконец, применение жасмоновой кислоты способствовало росту корневых волосков дозозависимым образом, что может потребовать взаимодействия с путями этилена и ауксина (Zhu et al., 2006).

Одним из общих выводов исследования гормонов является то, что новообразованные эпидермальные клетки в корне арабидопсиса могут быть первоначально определены как трихобласты или атрихобласты (из-за зависимого от положения клетки действия внутреннего WER / TTG / GL2 / Путь CPC), но на окончательную дифференцировку / структуру типов эпидермальных клеток могут влиять гормоны (возможно, регулируемые или связанные с действием факторов окружающей среды).

Рисунок 11.

Этапы образования корневых волосков. Корневые волосы образуются в два основных этапа: зарождение, когда небольшая дискообразная область клеточной стенки ослабляется, образуя опухоль, и рост кончика, когда остальная часть волос растет за счет целенаправленной секреции.

КОРНЕВОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛОС

Эпидермальные клетки, которые участвуют в формировании волос, становятся высокоспециализированными и принимают характерную форму. Общий процесс образования волос представлен на рисунке 11.

Инициирование корневых волос

Клетки растений изменяют форму, изменяя свои клеточные стенки.После того, как они образовались в меристеме, клетки эпидермиса, принимающие судьбу корневых волосков, становятся шире, длиннее и глубже за счет диффузного роста. Волосы сами по себе образуются, когда рост клеток локализуется в небольшой дискообразной области обращенной наружу стенки около 22 мкм в поперечнике. Этот процесс называется зарождением корневых волосков и суммирован на Рисунке 12.

Рисунок 12.

Инициирование корневых волосков.

(A) Схема, показывающая процесс инициации. Белок Rop локализуется в месте инициации, и pH клеточной стенки падает примерно до pH 4–4.5. Считается, что это локальное изменение pH активирует белки экспансина, которые ослабляют клеточную стенку. Большое количество эндоплазматического ретикулума и нитчатого (F) актина накапливается в развивающемся отеке

(B) Веревка на месте будущего образования волос. Локализация белка Rop является первым признаком того, что волосы вот-вот начнут формироваться (см. Molendijk et al., 2001).

(C) Подкисление клеточной стенки в месте инициации корневых волосков. pH получали с помощью NERF / Texas Red и кодировали псевдо-цветом в соответствии со шкалой на врезке (см. Bibikova et al., 1998).

(D) Локальное накопление эндоплазматического ретикулума (ER) в инициирующем волосе, по бокам которого находятся две неволосковые клетки. Красные, синие и зеленые изображения были получены с интервалом 30 секунд. Белый указывает, что ER присутствует в одном и том же месте на всех трех изображениях (см. Ridge et al., 1999).

Перед тем, как волосы начинают расти, в месте роста появляются небольшие GTP-связывающие белки из семейства Rop (Molendijk et al., 2001, рис. 12B). Rops уникальны для растений, но связаны с небольшими GTPases (e.грамм. Rac, Cdc42 и Rho), которые контролируют морфогенез клеток животных и дрожжей (Vernoud et al., 2003; Chant, 1999). Недавняя идентификация того, что цитоплазматический домен рецептороподобной киназы FERONIA ( FER : At3g51550 ) рекрутирует белки Rop, и что потеря FER приводит к дефектному росту корневых волосков, повышает вероятность того, что этот рецептор способствует накоплению Rop на домены апикальной плазматической мембраны на кончиках корневых волосков (Duan et al., 2010). Волосы остаются на кончиках развивающихся волос до тех пор, пока рост не прекратится (Molendijk et al.2001). Предполагается, что факторы обмена гуаниновых нуклеотидов для Rops (RopGEFs) также необходимы для FER-зависимого действия в развитии корневых волосков (Huang et al., 2013).

В течение нескольких минут после локализации Rop клеточная стенка корневых волосков начинает выпирать, и pH стенки падает. Это изменение pH может активировать белки экспансина, которые катализируют разрыхление стенок (рис. 12C; Bibikova et al. 1998; Baluska et al. 2000; Monshausen et al., 2007). Механизм, ответственный за изменение pH, неясен; это может быть связано с локальными изменениями в структуре полимера стенки и ионообменной способности или с локальной активацией протонной АТФазы или другой активностью транспорта протонов (Бибикова и др.1998).

По мере увеличения выпуклости эндоплазматический ретикулум внутри него конденсируется (Рис. 12D; Ridge et al., 1999) и накапливается F-actin (Baluska et al., 2000). В оптимальных условиях требуется около 30 минут для образования припухлости корневых волосков на поверхности эпидермальных клеток (Бибикова и др., 1998).

Рост корней волос на кончиках

Особенности роста кончика. Как только образовалась припухлость, начинается рост кончика. Рост кончика — это чрезвычайно поляризованный тип роста клеток, который приводит к образованию трубчатых клеток (рис. 13, 14).Рост кончика часто бывает быстрым; Корневые волоски арабидопсиса обычно растут со скоростью 1 мкм мин. ^-1 или более. Помимо корневых волосков, другие клетки трубчатой ​​формы, включая пыльцевые трубки, образуются в результате роста кончиков. Рост кончика волос поддерживается экзоцитозом пузырьков на верхушке корневого волоска. Эти везикулы содержат грузовые молекулы, такие как полисахариды клеточной стенки и (глико) белки клеточной стенки, которые будут включены во вновь формирующиеся клеточные стенки. Кроме того, интегральные мембранные белки, такие как синтазы клеточной стенки и белки-переносчики мембран, переносятся на плазматическую мембрану, где они функционируют в процессе роста кончика.Было подсчитано, что для поддержания роста кончиков корневых волосков требуется более 9000 экзоцитозов в минуту (Ketelaar et al., 2008). Эти пузырьки образуются гладкой и шероховатой эндоплазматической сетью и комплексами Гольджи.

Во время роста кончика цитоплазма сильно поляризована. В трубке растущих корневых волосков только тонкий слой кортикальной цитоплазмы окружает большую центральную вакуоль, в то время как цитоплазма накапливается в субапикальной и апикальной частях клетки (рис. 13A, B). Ядро обычно располагается у основания плотной области цитоплазмы и отслеживает кончик кончика на фиксированном расстоянии примерно 75 мкм до тех пор, пока рост корневых волосков не прекратится (Рисунок 14) (Ketelaar et al., 2002). В субапикальной цитоплазме накапливаются все клеточные компоненты, поддерживающие рост кончика. Вместе они упоминаются как единица роста кончика (Emons and Ketelaar, 2009). Крайняя вершина содержит большое количество пузырьков, тогда как другие мембранные структуры отсутствуют в этой области (Galway et al., 1997; Ketelaar et al., 2007). Непрерывной доставке новых везикул способствует поток цитоплазмы, перемешивание клеточного содержимого (рис. 13, Supplementary Movie 1 (tab.0172-MPEG008-LiveRootHairs.MPG). Десятисекундная петля, показывающая струю на кончике растущего корневого волоска при 100-кратном увеличении).

Рис. 13.

Рост корня волос на кончике.

(A) Схема, показывающая механизм роста кончиков корневых волосков Arabidopsis. Наконечник заполнен мембраносвязанными везикулами, доставляющими новый материал клеточной стенки. Эти везикулы образуются в эндоплазматическом ретикулуме (ER) и диктиосомах, которые в большом количестве находятся за кончиком. Белок Rop локализуется на кончике вместе с F-актином и градиентом кальция, сфокусированным на кончике.Считается, что этот градиент кальция создается кальциевыми каналами, активируемыми гиперполяризацией, которые расположены на плазматической мембране на кончике волоса. Другие каналы импортируют осмотически активные ионы K ⁺ и Cl ^— , которые помогают поддерживать тургорное давление по мере роста волос. Направление роста контролируется микротрубочками, которые проходят по длине волоса.

(B) Цитоархитектура на кончике удлиненного корневого волоска. Электронные микрофотографии в просвечивающем свете участков удлиненного волоса, показывающие клеточную стенку (w), пузырьки (v) и эндоплазматический ретикулум (e).Вверху — вершина волоса заполнена пузырьками. Внизу — на разрезе сразу за верхушкой виден плотный эндоплазматический ретикулум, окруженный пузырьками.

(C) У корневых волосков, растущих на кончиках, есть градиент кальция, сфокусированный на кончиках. Курс времени, показывающий установление и поддержание градиента кальция в удлиненных корневых волосах и его исчезновение при прекращении роста. Концентрация свободного кальция в цитоплазме ([Ca ²⁺ ] _c ) была отображена с использованием индо-1 и была закодирована псевдо-цветом согласно шкале на вставке.[Ca ²⁺ ] _c показан в первой и третьей строках с соответствующими изображениями в проходящем свете той же ячейки во второй и четвертой строках (см. Wymer et al. 1997).

Рис. 14.

Волос, растущий на кончике, просматривается с помощью дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии (DIG). Большая часть волос вакуолизирована (V), на кончике имеется скопление цитоплазмы (C), а ядро ​​(N) (n обозначает ядрышко) вошло в волосы.

Кальций в росте кончиков. Для роста кончиков корневых волос требуется кальций (Schiefelbein et al., 1992). Когда корневые волоски арабидопсиса имеют длину 5–10 мкм, концентрация Ca ²⁺ на кончике вздутия увеличивается с примерно 200 нМ до по крайней мере 1 мкМ и остается очень высокой на протяжении всего роста кончика (рис. 13C; Wymer et al., 1997; Бибикова и др., 1999). Градиент кальция на кончике волос, по-видимому, является частью механизма, который контролирует направление роста, облегчая слияние экзоцитотических пузырьков с апикальной плазматической мембраной и последующей доставкой груза клеточной стенки к расширяющейся клеточной стенке (Рисунок 13). (Пей и др., 2012). Если концентрация ионов кальция искусственно увеличена по направлению к одной стороне кончика, волосы переориентируются, чтобы расти в этом направлении (Бибикова и др., 1997). Кроме того, лечение блокатором каналов Ca ²⁺ (например, нифедипином) дает волосы с увеличенными кончиками, предположительно из-за нарушения градиента кальция и децентрализованного слияния пузырьков на кончике (Schiefelbein et al., 1992).

Кальций переносится через мембрану на кончике волос по каналам, которые активируются отрицательным потенциалом на этой мембране (от -160 до -200 мВ; Lew, 1996; Very and Davies, 2000).Этот потенциал, вероятно, генерируется Н + АТФазой плазматической мембраны. Источник кальция для роста кончиков корневых волос неясен. Когда волосы растут через раствор, кальций, по-видимому, импортируется из жидкости, окружающей растущий кончик. Однако корневые волоски хорошо растут во влажном воздухе и в большом количестве встречаются в воздушных карманах в почве (С. Грирсон, неопубликованные наблюдения; Ryan et al., 2001). В этих условиях кальций для роста кончиков волос должен (1) высвобождаться из вновь отложившейся стенки, или (2) транспортироваться через апопласт и откладываться около кончика волос, или (3) высвобождаться из внутриклеточных хранилищ (Ryan et al. ., 2001).

Rop GTPase белки, которые участвуют в инициации корневых волосков (гиперссылка на секцию инициации выше ), продолжают функционировать во время роста кончиков. У растений со сверхэкспрессией мутантной GTPазы Rop, которая постоянно находится в активной (GTP-связанной) форме, корневые волоски имеют форму баллона, что позволяет предположить, что Rop GTPases должны циклически переходить от GTP-связанной формы к GDP-связанной форме для направления роста кончиков к быть под контролем (Jones et al, 2002). РОЗНО-СВЯЗАННЫЙ БЕЛК ИЗ РАСТЕНИЙ2 ( ROP2.At1g20090 ) инициирует генерацию активных форм кислорода (ROS) NADPH-оксидазой, ROOT HAIR DEFECTIVE2 ( RHD2 : At5g51060 ) (Foreman et al., 2003; Jones et al., 2007). Накопление АФК, стимулированное ROP GTPase, активирует кальциевые каналы в этих клетках, что в петле положительной обратной связи дополнительно активирует активность оксидазы RHD2 за счет повышения уровня Ca ²⁺ . Хотя идентичность этого канала Ca ²⁺ остается не охарактеризованной, члены семейства белков, управляемых циклическими нуклеотидами, участвуют в этом процессе в пыльцевых трубках и могут играть аналогичные роли во время формирования этого градиента в корневых каналах. волосковые клетки (Frietch et al., 2007). Этот сфокусированный на кончике градиент Ca ²⁺ сохраняется, пока в этих клетках происходит рост кончика, и он исчезает, когда эти клетки перестают расти (Wymer et al., 1997).

Актин в росте кончиков. В дополнение к градиентам Ca ²⁺ , сфокусированным на кончиках, актиновый цитоскелет играет заметную роль в росте корневых волосков, во-первых, выступая в качестве основы, по которой происходит поток цитоплазмы, а во-вторых, организуя цитоплазму субапикальной области во время роста кончиков. (Фигура 1).Когда актиновый цитоскелет деполимеризуется обработкой ингибиторами актина, рост кончиков как в пыльцевых трубках, так и в корневых волосках ингибируется (Gibbon et al., 1999; Baluska et al., 2000; Ketelaar et al., 2002; 2003). Однако, хотя F-актин накапливается в кончиках вновь образовавшихся выпуклостей корневых волосков, обработка латрункулином B, который препятствует полимеризации F-актина, не блокирует образование выпуклостей. Это указывает на то, что выбор участков для будущего роста кончиков корневых волосков и образования выпуклостей не зависит от актина (Baluska et al., 2000).

Как только начинается удлинение корневых волосков, ограниченное кончиками, организация актина становится сильно поляризованной. В трубке корневого волоса толстые пучки F-актина поддерживают поток цитоплазмы в кортикальной цитоплазме (см. Раздел о росте кончиков корневых волос). В (под) апикальной части удлиненных корневых волосков накопление цитоплазмы поддерживается конфигурацией F-актина, которая коррелирует с ростом кончиков корневых волосков: тонкий F-актин. Тонкий F-актин представляет собой плотную и высокодинамичную конфигурацию актина, которая намного более чувствительна к ингибиторам актина, чем толстые пучки актина, расположенные в более дистальных областях корневой волосяной трубки.Когда корневые волоски обрабатываются низкими концентрациями ингибиторов актина, тонкий F-актин специфически деполимеризуется; цитоплазматический поток продолжается, и толстые пучки F-актина петляют через кончик. Это приводит к исчезновению (под) апикального накопления цитоплазмы и торможения роста (Miller et al., 1999; Ketelaer et al., 2002, 2003; Ketelaar, 2013). При обработке более низкой концентрацией ингибиторов актина мелкодисперсный F-актин частично деполимеризуется, рост продолжается, но диаметр кончика увеличивается (Ketelaar et al., 2003). Это говорит о том, что тонкий F-актин играет роль в определении ширины корневых волосков. Аналогичные наблюдения были сделаны в пыльцевых трубках (Gibbon et al., 1999).

Действующие связывающие белки (ABP). ABPs играют важную роль в определении организации высшего порядка актинового цитоскелета. ABP можно разделить на несколько групп: нуклеирующие белки актина, белки, которые увеличивают обмен актина, белки, перекрестно связывающие актин, и моторные белки (Ketelaar, 2013). Активность некоторых АД регулируется локальной концентрацией ионов кальция.Была выдвинута гипотеза, что модуляция активности АД с помощью сфокусированного на кончике градиента Ca ²⁺ отвечает за образование и поддержание тонкого F-актина на кончике растущих корневых волосков (Ketelaar, 2013; Pei et al., 2012). ABPs, которые имеют известную функцию в организации актина во время роста корневых волос, обсуждаются ниже. Вероятно, что намного больше ABPs функционируют в организации актина во время роста корневых волосков и еще предстоит идентифицировать из-за избыточности белков из того же или разных семейств.

Актиновые нуклеирующие белки включают комплекс Arp2 / 3 (Higgs and Pollard, 2001) и образуют ins (Cvrckovà et al., 2004). Комплекс Arp2 / 3 зарождает новую актиновую нить со стороны существующей нити под фиксированным углом 70 градусов (Higgs and Pollard, 2001). В корневых волосках некоторых мутантов Arabidopsis с нарушенной активностью комплекса Arp2 / 3 наблюдались волнистые, набухшие и ветвящиеся корневые волоски с уменьшенной длиной (Mathur et al., 2003a; 2003b), в то время как дефекты роста кончиков отсутствуют у других (Brembu и другие., 2004; Эль-Ассаль Сел и др., 2004; Эль-Дин Эль-Ассаль и др., 2004).

Формины используют большой пул мономеров актина, который связан с секвестрирующим актин белком профилином для нуклеации и полимеризации актина (Michelot et al., 2005; Ye et al., 2009; Vidali et al., 2009; Zhang et al. , 2011a; Ван Гисберген, Безанилла, 2013). Формины растений можно разделить на два класса: формины класса 1, которые обычно обладают трансмембранным доменом, и формины класса 2, которые проявляют множество взаимодействий (Van Gisbergen and Bezanilla, 2013).Формины были идентифицированы как ключевые регуляторы в кончиках растущих пыльцевых трубок и протонемных клетках мха (Staiger et al., 2010; Van Gisbergen and Bezanilla, 2013) путем специфической нуклеации актиновых филаментов в субапикальных цитоплазматических доменах этих растущих на кончике клеток (Cheung et al. др., 2010). Роль форминов в росте корневых волос менее изучена. Сверхэкспрессия гена формина арабидопсиса класса 1 FORMIN8 ( FH8: At1g70140 ) вызывает накопление F-актина в растущих кончиках корневых волос и дефекты в организации актина и дефекты роста, такие как снижение роста, отек кончиков, волнистость и ветвление ( Йи и др., 2005). Используя подход, при котором FH8, в котором отсутствует зарождающийся актин домен Fh3, сверхэкспрессируется, Deeks et al. (2005) показали, что количество и длина корневых волосков уменьшились.

Профилины представляют собой белки, связывающие мономер актина. Хотя связанные с профилином мономеры актина не могут спонтанно зарождаться или полимеризоваться (Valenta et al., 1993; Gibbon et al., 1998), они могут быть использованы для опосредованного формином зарождения и удлинения актиновых филаментов (см. Нуклеирующие белки F-актина). Сверхэкспрессия гена профилина арабидопсиса PROFILIN1 ( PFN1: At2g19760 ) вызывает образование корневых волосков, которые в два раза длиннее корневых волосков у растений дикого типа (Ramachandran et al., 2000).

Фактор деполимеризации актина (ADF) связывает как G-актин, так и F-актин. Он увеличивает оборот актина за счет отделения актиновых филаментов и увеличения скорости диссоциации с их минус-концов (Maciver and Hussey, 2002). Активность выделения актина из ADF кукурузы, ZmADF3, усиливается высокими концентрациями Ca ²⁺ за счет фосфорилирования кальций-зависимой протеинкиназой (CDPK; Smertenko et al., 1998; Allwood et al., 2001). Это говорит о том, что в кончиках растущих корневых волосков усиление активности ADF играет роль в образовании тонкого F-актина.Корневые волоски растений Arabidopsis, которые сверхэкспрессируют АКТИН ДЕПОЛИМЕРИРУЮЩИЙ ФАКТОР1 ( ADF1 : At3g46010 ), имеют неправильную организацию актина и короче (Dong et al., 2001). Корневые волоски со сниженной экспрессией ADF1 длиннее и обладают более продольно ориентированными актиновыми кабелями (Dong et al., 2001).

ПРОТЕИН, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЙ С АКТИНОМ ( AIP1: At2g01330 ), эволюционно консервативный белок с повторами WD, усиливает активность ADF (Allwood et al., 2002; Staiger et al., 2010). В корневых волосках линий Arabidopsis, в которых экспрессия AIP1 снижена с помощью РНКи, связанные кабели F-актина достигают апикальной области растущих корневых волосков, которые обычно содержат тонкий F-актин. Скорость роста этих корневых волосков до 5 раз ниже по сравнению с волосками дикого типа (Ketelaar et al., 2004). Когда AIP1 сверхэкспрессируется, происходит набухание кончиков корневых волосков и ингибирование роста корневых волосков. В этих корневых волосках актиновый цитоскелет образовывал очень заметные пучки, петляющие через их кончики (Ketelaar et al., 2007).

Помимо роли в продукции цАМФ (Moutinho et al., 2001), член семейства циклазо-ассоциированных белков CYCLASE-ASSOCIATED PROTEIN 1 ( CAP1: At4g34490 ) служит фактором обмена нуклеотидов для мономеров актина, который увеличивает АДФ до АТФ. частота замещения более чем в 50 раз (Chaudhry et al., 2007). В корневых волосках мутантов Arabidopsis cap1 и актин, и цитоплазматическая организация серьезно нарушены, и скорость роста корневых волосков снижена. Это приводит к образованию более коротких корневых волосков (Deeks et al., 2007). Когда комплекс Arp2 / 3 и CAP1 разрушаются одновременно, рост корневых волосков прекращается после образования выпуклости, это указывает на то, что CAP1 и комплекс Arp2 / 3 действуют синергетически в организации актина во время роста корневых волос (Deeks et al., 2007).

Виллины — это белки, связывающие актиновые филаменты. Большинство ворсинок растений обладают, помимо активности связывания актина, Ca ²⁺ / кальмодулин-зависимое расщепление актина, блокирование F-актина и активность связывания мономерного актина (Tominaga et al., 2000; Йокота и др., 2005; Хуанг и др., 2005; Хурана и др., 2010; Zhang et al., 2010; Zhang et al., 2011b). Таким образом, в то время как ворсинки представляют собой связывающие актин белки при низких концентрациях Ca ²⁺ , они увеличивают оборот актина при более высоких концентрациях Ca ²⁺ . Мутации в гене VILLIN4 ( VLN4: At4g30160 ) образуют корневые волоски с более тонкой организацией актина, более низкой скоростью удлинения и пониженной скоростью потока цитоплазмы (Zhang et al., 2011b). Нарушение 135-ABP ворсинки лилии путем микроинъекции специфического антитела против этого белка вызывает дефекты связывания актина в полностью выросших корневых волосках из Hydrocharis dubia (Tominaga et al., 2000). Эти наблюдения предполагают роль ворсинок в связывании актина во время роста корневых волосков. Ca ²⁺ зависимая от актина активность виллина по разделению и кэпингу участвует в регуляции динамики актина в апикальной области пыльцевых трубок (Qu et al., 2013). Поскольку пыльцевые трубки обладают подобным сфокусированным на кончике градиентом Ca ²⁺ , вероятно, что Ca ²⁺ -зависимые функции ворсин также вносят вклад в регуляцию динамики актина в кончиках растущих корневых волосков.

Моторные белки Myosin XI участвуют в актин-зависимом переносе органелл и актин-опосредованной реструктуризации цитоплазмы у растений (Lee and Liu, 2004; Reisen and Hanson, 2007; Hoffmann and Nebenführ, 2004; Van der Honing et al. 2010). Геном арабидопсиса содержит 13 генов миозина XI (Reddy and Day, 2001). Уменьшение роста корневых волосков и измененная организация актина наблюдается у мутанта MYOSIN XI K ( ATXIK: At5g20490 ) (Park and Nebenfuhr, 2013), а также у линий, в которых нарушены множественные гены миозина XI (Ojangu et al., 2007; Прохневский и др., 2008; Перемыслов и др., 2008; Перемыслов и др. 2010). Кроме того, моторная активность миозина XI снижается в условиях высокого уровня Ca ²⁺ (Tominaga et al., 2012), что приводит к снижению скорости потока цитоплазмы (Doree and Picard, 1980; Woods et al., 1984; Takagi and Nagai, 1986). ; Коно, Шиммен, 1988). Это Ca ²⁺ -зависимое ингибирование миозина XI может объяснить снижение скорости потока цитоплазмы, которое наблюдается в растущих кончиках корневых волос (Sieberer and Emons, 2000).

Цитоскелет микротрубочек. Как и в других растительных клетках, корневые волоски обладают выдающимся набором кортикальных микротрубочек (CMTs; Sieberer et al., 2005). У Arabidopsis CMT в корневой волосяной трубке ориентированы сетчато-аксиально, то есть их средняя ориентация параллельна длинной оси трубки (Ketelaar et al., 2002; Van Bruaene et al., 2004). Когда цитоплазма начинает накапливаться во время инициации роста кончиков корневых волосков, динамический массив эндоплазматических микротрубочек (EMT) накапливается в субапикальной цитоплазматически плотной области (Van Bruaene et al., 2004). EMTs происходят из перинуклеарной цитоплазмы и проходят в осевом направлении к кончику волоса (Van Bruaene et al., 2004). Хотя пучок EMTs иногда достигает крайнего конца, обычно и CMTs, и EMTs отсутствуют на крайней вершине растущих корневых волосков (Marc et al., 1998; van Bruaene et al., 2004). Поскольку микротрубочки чувствительны к повышенным концентрациям Ca ²⁺ (Cyr, 1991, 1994), высокая концентрация Ca ²⁺ в кончике растущих корневых волосков может предотвратить их полимеризацию в кончике (Sieberer et al., 2005).

Организация микротрубочек в корневых волосках нарушена из-за изменений в гене, кодирующем кинезин-родственный белок, содержащий повтор броненосца, МОРФОГЕНЕЗ КОРНЕВЫХ ВОЛОС 2 ( MRh3 / ARK1 At3g54870 ). Нулевые мутанты MRh3 / ARK1 демонстрируют повышенное количество EMT, а корневые волоски волнистые и иногда ветвящиеся, что позволяет предположить, что MRh3 / ARK1 регулирует рост кончика, ограничивая сборку и распределение эндоплазматических микротрубочек (Jones et al., 2006; Sakai et al., al., 2008). Более того, мутации mrh3 / ark1 действуют как генетические энхансеры фенотипа CA-rop2 . Интересно, что фрагмент MRh3 / ARK1, содержащий домен повтора броненосца, может связываться с полимеризованным актином in vitro, а мутант mrh3 / ark1 обнаруживает повышенную чувствительность к деполимеризации актина. Таким образом, MRh3 / ARK1 не только контролирует организацию МТ в корневых волосках, он также может участвовать в координации актина и организации микротрубочек во время роста корневых волос (Yang et al., 2007).

При обработке корневых волосков арабидопсиса ингибитором микротрубочек оризалин или стабилизатором микротрубочек паклитакселом (таксолом) скорость их роста не изменяется, но направление роста становится волнистым, а иногда корневые волоски разветвляются (Бибикова и др., 1999; Ketelaar et al. ., 2002; Preuss et al., 2004). Это указывает на то, что микротрубочки помогают поддерживать прямую ось роста, но не участвуют напрямую в поддержании скорости расширения, ограниченного кончиком. Когда рост кончиков корневых волос временно нарушается, функция микротрубочек в росте корневых волос становится еще более ясной: в присутствии микротрубочек рост корневых волос восстанавливается в исходной ориентации, тогда как, если микротрубочки не функционируют, направление роста волос восстановление происходит случайно (Бибикова и др., 1999; Кетелаар и др., 2002; Рисунок 15). Взятые вместе, эти наблюдения подтверждают, что цитоскелетная сеть микротрубочек функционирует только косвенно, контролируя рост кончиков корневых волосков у Arabidopsis. Однако он, вероятно, играет более важную роль, когда необходимы изменения в направлении роста корневых волосков, например, когда корневые волоски вьются вокруг азотфиксирующих бактерий во время образования корневых узелков у бобовых (Sieberer et al., 2005).

Передача поляризованных мембран в корневых волосках

Поляризованное распространение корневых волосков зависит от непрерывного образования и доставки вновь синтезированных компонентов клеточной стенки к растущим кончикам этих клеток; в результате контроль над перемещением через мембрану играет критическую роль в формировании корневых волосков.Члены семейства Rab GTPase являются важными регуляторами переноса эукариотической мембраны, и они выполняют эти регуляторные функции за счет своей специфической локализации в различных субклеточных органеллах внутри этих клеток (Zerial and McBride, 2001; Vernoud et al., 2003; Nielsen et al. 2008 г.). Во время роста кончиков корневых волосков вновь синтезированные компоненты клеточной стенки упаковываются в секреторные пузырьки, которые выходят из мембран растительной транс-сети Гольджи (TGN), а затем направляются и доставляются в область апикальной плазматической мембраны растущих корневых волосков.У Arabidopsis образование и доставка по крайней мере одной субпопуляции этих секреторных везикул регулируется специфическим рекрутированием членов семейства RabA растительных ГТФаз Rab в эти мембранные компартменты (Preuss et al., 2004; Ovecka et al., 2010; Канг и др., 2011). В своей активной, GTP-связанной конформации Rab GTPases функционируют посредством рекрутирования цитозольных «эффекторных белков» на свои мембраны-мишени. Во время верхушечного роста корневых волосков арабидопсиса RAB GTPASE HOMOLOG A4b ( RAB-A4b: At4g39990 ) привлекает липидные киназы, ФОСПАТИДИЛИНОЗИТОЛ 4-ОН-КИНАЗА BETA1 ( PI4Kß1-OHK1-BETAKIN (4-Kβ1-OHKIN) (PHOSIT2 ) (AT5g640702 ) и : At5g09350 ), которые фосфорилируют инозитоловую головную группу фосфатидилинозитола (PI) с образованием PI-4P (Mueller-Roeber and Pical, 2002).Регулирование уровней PI-4P посредством скоординированного действия этих липидкиназ, а также фосфатазы PI-4P, ROOT HAIR DEFECTIVE4 ( RHD4: At3g51460 ), играют важную роль в регуляции и доставке секреторного груза к кончикам растущих растений. корневые волоски (Preuss et al., 2004, 2006; Thole et al., 2008). Кроме того, фосфорилирование PI-4P до PI-4,5P ₂ с помощью 1-ФОСФАТИДИЛИНОЗИТОЛ-4-ФОСФАТ-5-КИНАЗЫ 3 ( PIP5K3: At2g26420 ) необходимо для надлежащего контроля роста кончиков корневых волосков (Kusano et al. ., 2008; Stenzel et al., 2008). Обогащение PI-4P и PI-4,5P ₂ , вероятно, участвует в организации поляризованного мембранного переноса в клетках корневых волосков, действуя как детерминанты нацеливания, которые стимулируют рекрутирование других белков, играющих важную роль в росте кончиков корневых волосков, которые содержат PI-4P. или PI-4,5P ₂ связывающих доменов (Bubb et al., 1998; Yoo et al., 2012).

Рисунок 15.

Направление роста кончика контролируется кальцием и микротрубочками.

(A, B) Цитоплазматический кальций и рост кончиков в необработанных (A) и 10 мкМ таксолом обработанных (B) корневых волосков после локальной фотоактивации клеточного ионофора кальция.Ионофор активировали, освещая области в коробках УФ-лазером. Концентрацию свободного кальция в цитоплазме ([Ca ²⁺ ] _c ) отображали с использованием кальциевого зеленого / родамина и кодировали псевдо-цветом согласно шкале на вставке.

(A) На необработанные волосы ионофор не повлиял.

(B) Волосы, обработанные таксолом, росли по направлению к ионофору. Таксол способствует полимеризации микротрубочек.

(C) Диаграмма, показывающая процент необработанных и обработанных таксолом корневых волосков, которые переориентировали свой рост в ответ на локально активированный ионофор кальция

(адаптировано из Bibikova et al.1999).

Клеточные стенки корневых волосков

Стенки корневых волосковых клеток организованы в два отдельных слоя, которые, кажется, отражают, когда и где они откладываются во время развития корневых волосков. Первоначальное отложение клеточной стенки происходит на крайних апикальных 30-50 мкм растущих корневых волосках (Newcomb and Bonnett, 1965; Galway et al., 1997). Фибриллярные элементы, которые могут быть целлюлозными микрофибриллами, наблюдаются в этих апикальных стенках корневых волосковых клеток, но в отличие от клеток, подвергающихся диффузной экспансии, эти элементы, по-видимому, короче и ориентированы беспорядочно (Newcomb and Bonnett, 1965).Дополнительные слои внутренней клеточной стенки, содержащие параллельные массивы микрофибрилл целлюлозы, по-видимому, откладываются позже, и они часто имеют спиральную ориентацию по длине корневого волоска. Синтез целлюлозы необходим для роста кончиков корневых волосков (Park et al., 2011; Galway et al., 2011), и хотя известные компоненты целлюлозосинтазных комплексов CESA3 и CESA6 не наблюдаются в апикальных плазматических мембранах в активно растущих клетках корневых волосков , функциональный, флуоресцентно-меченый ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЙ СИНТАЗОПОДОБНЫЙ БЕЛК D3 ( CSLD3 / KJK / RHD7: At3g03050 ) был обогащен на кончиках растущих корневых волосков (Park et al., 2011). И CSLD2 (At5g16910), и CSLD3 / KJK / RHD7 , члены суперсемейства целлюлозо-синтазоподобных (CSL), необходимы для роста корневых волосков (Wang et al., 2001; Bernal et al., 2008 ; Galway et al., 2011; Yin et al., 2011; Yoo et al., 2012). В то время как активность маннансинтазы была обнаружена для некоторых белков CSLD (Yin et al., 2011), химера CSLD3, содержащая каталитический домен CESA6, восстанавливала рост корневых волосков у нулевого мутанта csld3 (Park et al., 2011), повышая интригующая возможность того, что белки CSLD могут синтезировать подобные целлюлозе полисахариды в растущих на кончиках корневых волосковых клетках.

Ксилоглюкан и полисахариды пектиновой клеточной стенки также необходимы для роста кончиков волосковых клеток корня. Ксилоглюкан представляет собой β-1,4-связанный глюкановый полимер с обширными модификациями боковой цепи, содержащий ксилозу, галактозу и сахара фукозы. Члены семейства CSLC синтезируют глюкановую основу ксилоглюкана (Cocuron et al., 2007), в то время как ксилозиловые остатки присоединяются к основной цепи глюкана с помощью ряда ксилозилтранфераз, кодируемых XYLOGLUCAN XYLOSYL TRANSFERASE163 XXT201 ( ), XXT2 ( At4g02500 ) и другие. Arabidopsis xxt1 / xxt2 двойные мутанты росли нормально, но корневые волоски у этих мутантов короче и имеют выпуклые основания (Cavalier et al., 2008). Недавно было показано, что ксилоглюкановая ГАЛАКУРОНОЗИЛТРАНСФЕРАЗА1 ( XUT1: At1g63450 ) является галактуроносилтрансферазой, которая включает остатки галактуроновой кислоты в полисахариды ксилоглюкана, специфичные для корневых волос (Won et al., 2009; Peña et al., 2009).

Гомогалактуронан (HG), рамногалактуронан I (RG-1) и рамногалактуронан II (RG-II) являются тремя основными формами пектина, и вместе эти полисахариды составляют примерно 35-40% первичных клеточных стенок арабидопсиса.Нарушение генов, кодирующих UDP-4-KETO-6-DEOXY-D-GLUCOSE-3,5-EPIMERASE-4-REDUCTASE1 ( UER1: At1g63000 ) или UDP-D-GLUCURONATE 4-EPIMERASE 6 ( GAE6: At3g23820 ), два фермента, необходимые для синтеза предшественников пектина, влияли на длину корневых волосков (Pang et al., 2010). Более того, FucA1, аналог сахара фукоза-алкин, избирательно включается в клеточные стенки во вновь образовавшихся выпуклостях корневых волосков, что указывает на важную роль этих полисахаридов во время инициации корневых волосков (Anderson et al., 2012).

Помимо основных классов полисахаридов, многочисленные классы структурных белков секретируются и включаются в стенки растущих клеток. У Arabidopsis два члена семейства белков клеточной стенки экспансинов, EXPANSIN A7 ( EXPA7: At1g12560 ) и EXPANSIN A18 ( EXPA18: At1g62980 ), проявляют экспрессию, специфичную для корневых волос (Cho and Cosgrove, 2002; Jones et al. al., 2006; Won et al., 2009; Bruex et al., 2012), и изменение их уровней обработкой препаратами экзогенного белка или подавлением на основе РНКи приводило к изменению роста кончиков корневых волосков (Cosgrove et al., 2002; Lin et al., 2011). Многие гликопротеины, богатые гидроксипролином (HRGP), обнаруживаются в клеточных стенках (Velasquez et al., 2011; Mohnen and Tierney, 2011). Остатки пролина в этих белках посттрансляционно модифицируются с образованием гидроксипролина в процессе, катализируемом семейством мембраносвязанных пролил-4-гидроксилаз (P4Hs) (Velasquez et al., 2011; Mohnen and Tierney, 2011). Устранение экспрессируемых в корне генов PROLYL 4-HYDROXYLASE ( P4H ), P4h3 ( At3g06300 ), P4H5 ( At2g17720 ) привело к укороченному корню P4h волосы (Velasquez et al., 2011), которые указывают на важную роль HRGPs во время отложения стенок растительных клеток в растущих на кончиках корневых волосковых клетках.

Клеткам со стенками для поддержания роста требуется внутреннее давление, называемое тургором. Если тургор слишком низкий, цитоплазма не будет плотно прилегать к стенке, и тесный контакт между плазматической мембраной и стенкой окажется под угрозой. Кроме того, рост некоторых растительных клеток зависит от ионных каналов, которые активируются при растяжении клеточной мембраны. По этим причинам важно, чтобы растущие клетки растений имели механизмы, позволяющие сохранять набухание.При типичной скорости роста 1 мкМ мин. ^–1 корневые волоски арабидопсиса увеличивают свой объем примерно на 50 мкМ мин. ^–1 (Lew, 2000). Чтобы оставаться набухшим при увеличении объема, общее количество осмотических ионов в клетке должно увеличиваться. При росте корневые волоски арабидопсиса активно накапливают несколько осмотически активных ионов, включая K ⁺ и Cl ^— (рис. 13), но для регулирования тургора также используются другие, неустановленные механизмы (Lew, 1991; 1998). Эксперименты с использованием датчиков давления и осмотической жидкости были использованы, чтобы показать, что тургор регулируется путем определения изменений осмолярности, а не внутреннего давления (Lew, 1996).

Прекращение роста кончиков волос

Рост кончиков корневых волосков прекращается, когда волосы достигают достаточно предсказуемой длины. Рост можно продлить, увеличив экспрессию малой GTPase ROP2 (Jones et al., 2002) или фактора транскрипции ROOT HAIR SIX-LIKE4 ( RSL4 / bHLH54: At1g27740 ; Yi et al., 2010). Рост поддерживается ауксином (Lee and Cho 2006), который поставляется соседними неволосковыми клетками, которые транспортируют ауксин через эпидермис от кончика корня к побегу (Jones et al., 2009). По мере того, как кончик корня отрастает от молодых корневых волосковых клеток, они получают все меньше и меньше ауксина, пока запас ауксина не будет потерян и рост не прекратится (Jones et al., 2009). Конец роста точно контролируется и координируется, образуя симметричный куполообразный кончик того же диаметра, что и стержень волоса. Когда волосы перестают расти, цитоплазма на кончике рассеивается, и вакуоль увеличивается в виде купола (рис. 13C). Одновременно белок Rop (Molendijk et al., 2001), градиент кальция (рис. 13C; Wymer et al., 1997), а активность кальциевых каналов (Schiefelbein et al., 1992; Very and Davies, 2000) теряется на кончике.

Молекулярная генетика образования корневых волосков

Дополнительная таблица 1 (tab.0172-table-1.docx) перечисляет гены, которые влияют на развитие корневых волосков, а на рисунке 16 показана стадия, на которой задействован каждый ген. Здесь гены обсуждаются в том порядке, в котором они вносят свой вклад.

Гены, влияющие на количество отеков на каждой волосковой клетке. Клетки корневых волосков дикого типа образуют единственное вздутие на своей внешней стенке, которое перерастает в волос.Для инициации этого процесса требуется ген RHD6 : мутанты rhd6 почти лишены волос, и среди немногих клеток, производящих волосы, некоторые из них инициируют более одного волоса (Masucci and Schiefelbein, 1994). Это говорит о том, что RHD6 участвует в контроле установления и количества опухолей. Волосковые клетки на корнях, мутировавшие в гене TINY ROOT HAIR1 ( TRh2: At4g23640 ), иногда имеют дополнительные набухания (Rigas et al., 2001), что означает, что TRh2 предотвращает образование множественных набуханий на волосковых клетках дикого типа. TRh2 кодирует транспортер калия (Rigas et al., 2001). Требуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как это влияет на количество отеков. Дополнительные набухания также возникают при избыточной активности ROP, например, на растениях с мутациями в негативном регуляторе RhoGDI1 SUPER-CENTIPEDE ( SCN1: At3g07880 ) или на растениях, сверхэкспрессирующих ROP2 (Carol et al., 2005; Jones and Smirnoff, 2006). ).

Гены, влияющие на расположение волосков на клетке. Корневые волоски многих видов, включая Arabidopsis, появляются на корневом конце клетки (Leavitt, 1904; Masucci and Schiefelbein, 1994).Ген Arabidopsis RHD6 влияет на это позиционирование. Волосы на мутантных корнях rhd6 появляются в более отдаленном от побегов положении (дальше от кончика корня; фиг. 17), вовлекая RHD6 в механизмы, которые способствуют образованию волос на апикальном конце клетки. Тот факт, что RFID6 определяет, сколько клеток образуют волосы, а также положение волос на волосковой клетке, предполагает, что RFID6 связывает механизмы, которые контролируют, будет ли формироваться волос, с механизмами, контролирующими, где на клетке появятся волосы.На расположение волосков на клетке также влияют ауксин и этилен (гиперссылка на раздел «Ауксин и этилен регулируют рост корневых волосков», ниже ).

Рисунок 16.

Генетика морфогенеза корневых волосков.

Диаграмма, обобщающая стадии развития корневых волосков, которые влияют на форму волосковой клетки, и фенотипы соответствующих мутантов и трансгенных растений. Корневые волоски уменьшаются в длину, чтобы соответствовать фигуре. Слева показаны стадии развития волос дикого типа.Дефекты мутантных или трансгенных волос показаны справа рядом с соответствующей стадией развития дикого типа. Мутанты появляются более одного раза, когда они влияют на более чем одну стадию развития. OX-PFN указывает на сверхэкспрессию гена PFN1 .

Гены, ограничивающие размер опухоли. Как описано выше, каждое набухание образуется при разрыхлении клеточной стенки. У Arabidopsis дикого типа степень разрыхления хорошо воспроизводится, а диаметр набухания постоянно составляет около 22 мкм (Parker et al., 2000, рисунок 18). Мутации в генах TIP GROWTH DEFECTIVE1 ( TIP1: At5g20350 ) и ROOT HAIR DEFECTIVE1 ( RHD1: At1g64440 ) генерируют мутантные растения с большим набуханием (фиг.18). У мутантов tip1 диаметр набухания увеличен примерно на треть. Мутанты rhd1 имеют огромные вздутия, которые занимают большую часть внешней поверхности волосковой клетки (рис. 18). Поскольку tip1 и rhd1 оба являются мутантами с потерей функции, эти результаты предполагают, что гены RHD1 и TIP1 ограничивают размер набухания, предположительно за счет ограничения области ослабленной стенки (Parker et al., 2000; Райан и др., 1998; Schiefelbein et al., 1993; Schiefelbein and Somerville, 1990). Двойные мутанты tip1 rhd1 имеют аналогичные размеры набухания с одинарными мутантами rhd1 , указывая тем самым, что TIP1 не может влиять на размер набухания, если не присутствует продукт гена RHD1 (Parker et al., 2000). RHD1 кодирует UDP-глюкозо-4-эпимеразу, которая участвует в синтезе клеточной стенки, что позволяет предположить, что образование набухания у мутантов rhd1 связано с измененными свойствами клеточной стенки (Seifert et al., 2002). TIP1 кодирует пальмитоил (или S-ацил) трансферазу (Hemsley et al. 2005). Пальмитоилтрансферазы регулируют локализацию и активность белков на клеточных мембранах, поэтому вполне вероятно, что фенотип мутанта tip1 обусловлен неправильной локализацией или неправильной регуляцией одного или нескольких неидентифицированных белков в клетках корневых волосков.

Гены, определяющие рост верхушки. Рост кончика устанавливается к тому времени, когда волосы достигают длины 40 мкм (Dolan et al., 1994). Корневые волоски без функционала RHD2 (Рисунок 19), SHAVEN1 ( SHV1: неизвестный ген ), SHV2 / MRh5 / COBL9 ( At5g49270 ), SHV3 / MRH5 (01 At5) (01 At5) , или гены KJK перестают расти до этой стадии (рисунок 16, Parker et al., 2000; Шифельбейн и Сомервилль, 1990; Favery et al, 2001 .; Ригас и др., 2001). Мутации, затрагивающие гены CENTIPEDE1 ( CEN1: неизвестный ген), CEN2 (неизвестный ген), CEN3 (неизвестный ген), SCN1, BRISTLED1 ( BST1 / MRh4: At5g65090 ) и TIP1 , могут также остановить рост волос. до этой стадии, но только в определенных комбинациях двойных мутантов (Parker et al., 2000). Эти результаты предполагают, что все эти гены важны для успешного установления кончика верхушки.

Рисунок 17.

Волосы на мутанте rhd6 появляются в более базальном положении на волосковой клетке, чем волосы дикого типа (вес). Звездочка ( ^* ) указывает апикальную стенку каждой клетки.

Устойчивый рост кончиков корневых волос включает колебания внеклеточного pH, активных форм кислорода и цитозольного кальция. Вмешательство в эти колебания может предотвратить удлинение корневых волосков или вызвать разрыв на кончике (Monshausen et al. 2007, 2008). Волосы также могут лопнуть из-за того, что не прекращается разрыхление стенок или нарушается баланс между отложением стенок и ростом протопластов.Например, у мутантов kjk волосы лопаются после образования набухания, убивая клетки (Favery et al., 2001; Wang et al., 2001). Как описано ранее в этой главе, ген KJK / CSLD3 / RHD7 кодирует белок, связанный с целлюлозосинтазой. Интересно, что целлюлоза образуется на плазматической мембране, тогда как KJK находится в эндоплазматическом ретикулуме. KJK, вероятно, способствует синтезу полисахаридов, таких как бета-ксиланы, маннаны или ксилоглюкан (Favery et al., 2001).Волосы мутанта kjk имеют слабые клеточные стенки, которые не могут содержать растущий протопласт и лопнуть. SHV2 и SHV3 также кодируют белки, которые влияют на синтез клеточной стенки. Ген SHV2 / COBL9 / MRh5 кодирует заякоренный глюкозилфосфатидилинозитолом (GPI) белок, родственный COBRA, который влияет на отложение целлюлозы (Parker et al. 2000; Jones et al., 2006). SHV3 кодирует белок, подобный глицерофосфорилдиэфирфосфодиэстеразе, который влияет на содержание целлюлозы и модификацию пектина.Добавление бората в среду роста мутантов shv3 предотвращает лопание корневых волосков, возможно, за счет изменения поперечного сшивания пектиновых полисахаридов (Hayashi etl., 2008).

Рост корневых волосков также может прекратиться, если критически важная часть оборудования, поддерживающего рост кончиков, выходит из строя. Транспортер калия TRh2 необходим для роста кончиков, и добавление мутантных корней trh2 с высокими уровнями калия не восстанавливает рост кончиков (Rigas et al., 2001). Эти результаты предполагают, что рост кончика зависит от транспорта калия, который точно локализован внутри клетки или скоординирован с другими событиями.Паттерн экспрессии репортера ауксина DR5 :: GUS и измерения концентрации ауксина в корнях дикого типа и мутантных корнях показывают, что мутантные корни trh2 изменили распределение ауксина, что дополнительно подтверждает идею о том, что ауксин необходим для роста корневых волос (Rigas et al. 2013) (гиперссылка на раздел «Ауксин и этилен регулируют рост корневых волосков» ниже).

Рис. 18.

Вздутие шире у корней tip1 и rhd1 . Вздутие дикого типа составляет около 22 мкм в диаметре.Набухания на мутанте rhd1 охватывают всю внешнюю стенку клетки. Мутант tip1–2 имеет вздутия около 27 мкм в поперечнике. Звездочки (*) обозначают торцевые стенки каждой клетки (см. Schiefelbein and Somerville, 1990; Parker et al., 2000).

Гены, препятствующие ветвлению. Корневые волоски дикого типа ветвятся редко. Растения с мутациями в генах SCN1, CAN OF WORMS1 (COW1: At4g34580), TIP1, CEN1, CEN2, CEN3, BST1, ROOT HAIR DEFECTIVE3 (RHD3: At3g13870), или RHD4 генов, чем у растений дикого типа .Во всех случаях, кроме BST1, , волосы разветвляются после образования набухания, так что несколько волос растут из одного и того же сайта инициации (Фигуры 16, 19). SCN1 играет особенно важную роль в предотвращении ветвления. Растения, гомозиготные по аллелю потери функции scn1–1 , демонстрируют высокий процент разветвленных волосков, а в некоторых комбинациях двойных мутантов, которые включают scn1–1, каждый волос является ветвистым (Parker et al., 2000) . SCN1 кодирует негативный регулятор малых GTPases ROP, предполагая, что фенотип scn1 обусловлен сверхактивностью ROP.Это подтверждается наблюдениями за ветвлением корневых волосков в линиях со сверхэкспрессией ROP (Jones et al. 2002). Как обсуждалось выше (гиперссылка на раздел «Гены, ограничивающие размер отека»), TIP1, вероятно, регулирует локализацию или активность одного или нескольких неидентифицированных белков в клетках корневых волосков. Несколько генов, влияющих на ветвление, кодируют белки, играющие роль в секреторном пути. COW1 представляет собой белок-переносчик фосфатидилинозитола, который локализуется в месте роста корневых волосков (Böhme et al. 2004).Мутанты rhd3 имеют короткие и завитые / волнистые корневые волоски, а также дефекты размножения клеток по всему растению (Schiefelbein and Somerville, 1990; Wang et al., 2002). RHD3 кодирует белок с GTP-связывающими доменами (Wang et al., 1997), который способствует формированию канальцевой сети ER (Chen et al. 2011), вероятно, опосредуя события слияния ER (Zhang et al., 2013) , и, следовательно, влияет на трафик через секретную сеть. RHD4 представляет собой фосфатидилинозитол-4-фосфатфосфатазу, которая регулирует накопление PI (4) P на участках мембраны у растущих кончиков корневых волосков (Thole et al.2008 г.).

Рисунок 19.

Фенотипы корневых волосков дикого типа и мутантных корневых волосков. Световые микрофотографии одиночных волосков дикого типа (wt), rhd2, rhd3, и rhd4, и разветвленных волос растения tip1 . Сканирующие электронные микрофотографии корней Irx1 дикого типа (wt). Легкая микрофотография кончика корня keule ( keu ) без корневых волосков. См. Дополнительную информацию в дополнительной таблице 1 (tab.0172-table-1.docx).

Гены, которые поддерживают и направляют рост кончиков. Идентифицировано много генов, влияющих на рост кончиков. Начинают понимать молекулярный вклад некоторых из этих генов.

LEUCINE-RICH REPEAT / EXTENSIN1 ( LRX1: At1g12040 ) кодирует белок клеточной стенки с богатыми лейцином повторами и гомологичен экстенсинам (Baumberger et al., 2001). LRX1 может регулировать расширение клеточной стенки. Он экспрессируется в корневых волосках и локализуется в клеточной стенке на кончике удлиненных волосков. Мутанты с потерей функции LRX1 имеют низкорослые и разветвленные корневые волоски (фиг. 19), что показывает, что LRX1 влияет на количество и место роста кончиков.

Потенциальные регуляторы роста кончиков корневых волос включают НЕПОЛНОЕ УДЛИНЕНИЕ ВОЛОС I ( IRE1: At5g62310 ) и ДЕФЕКТ КОРНЕВЫХ ВОЛОС 6-LIKE2 ( RSL2: At4g33880 ). Мутации в любом из этих генов приводят к коротким корневым волоскам, и каждый ген преимущественно экспрессируется в растущих корневых волосках (Oyama et al., 2002; Yi et al., 2010), что означает, что киназа AGC, кодируемая IRE1, и Кодируемый RSL2 фактор транскрипции bHLH регулирует активность роста кончиков.

В соответствии с важной ролью актина в росте кончиков, мутации в гене ACTIN2 ( ACT2: At3g18780 ) обнаруживают дефекты в инициации корневых волосков и росте кончиков, причем степень тяжести зависит от природы мутации и двойного действия. мутантные гены-партнеры (Gilliland et al., 2002; Ringli et al., 2002).

PFN1 кодирует один из четырех актин-связывающих белков профилина Arabidopsis и экспрессируется в корневых волосках Arabidopsis (Huang et al., 1996). Трансгенные растения, сверхэкспрессирующие PFN1 , имеют корневые волоски, которые в два раза длиннее волос дикого типа, это указывает на то, что профилин является частью механизма, который контролирует количество происходящего роста кончиков корневых волосков (Ramachandran et al., 2000).

Семейство малых модифицированных пептидов GLOVEN (GLV) включает двух членов ( GLV4: At3g02240 и GLV8: At3g02242 ), которые необходимы для полного удлинения корневых волосков (Fernandez et al., 2013). Хотя их точная биохимическая роль не ясна, возможно, что пептиды GLV4 и GLV8 участвуют в сигнальных событиях во время роста кончиков корневых волосков.

Растения, несущие мутации потери функции в генах RHD2, SHV1, SHV2, SHV3, и KJK , иногда образуют волоски, отрастающие на кончиках. Во всех этих случаях волосы короткие и деформированные, показывая, что все эти гены необходимы для нормального роста кончиков (Parker et al., 2000; Favery et al., 2001).Мутанты bst1, cen1, cen2, cen3, cow1, rhd3, scn1, tip1, и rhd4, также имеют короткие корневые волоски, поэтому эти гены также необходимы для того, чтобы волосы достигли своей обычной длины (Parker et al., 2000 ). См. Выше информацию о белках, кодируемых многими из этих генов (гиперссылка на «Гены, обеспечивающие рост кончиков» и «Гены, предотвращающие ветвление»).

Белок Sec1 KEULE ( KEU: At1g12360 ) участвует в секреторной движение на кончике растущего корневого волоса.Потеря функции Мутанты keule имеют отсутствующие или низкорослые, радиально опухшие корневые волоски (фиг. 19). Неясно, влияет ли KEULE на зарождение корневых волосков и / или рост кончиков, но вполне вероятно, что KEULE вносит вклад в развитие корневых волос, облегчая целевое слияние пузырьков (Assaad et al., 2001; Karnik et al. 2013). Некоторые другие гены влияют на форму волос таким образом, что это предполагает, что они также могут контролировать количество или расположение пузырьков, которые сливаются на растущем кончике. Волосы мутантов scn1, cen1, cen2 и cen3 часто изогнуты, что показывает, что эти гены необходимы для того, чтобы удлинение трубки оставалось прямым (Parker et al., 2000). Все мутанты rhd2–2, scn1, tip1 и cow1 имеют широкие волоски (Schiefelbein and Somerville, 1990; Parker et al., 2000), что позволяет предположить, что гены RHD2, SCN1, TIP1 и COW1 ограничивают область на кончике волос, где могут сливаться пузырьки. Волосы мутанта rhd3 имеют форму штопора (рис.19), потому что слияние пузырьков, по-видимому, происходит в точке, которая вращается вокруг краев растущего кончика, а не фокусируется в центре (Schiefelbein and Somerville, 1990; Galway et al., 1997). Волосы мутанта rhd4 имеют несовместимые диаметры (Рисунок 19) и участки толстой клеточной стенки, что позволяет предположить, что количество материала, которое откладывается, изменяется по мере роста трубки, вызывая локальные сужения и расширения по длине волос (Schiefelbein and Somerville , 1990; Голуэй и др., 1999).

Как ни странно, световая сигнализация может влиять на длину корневых волосков. Мутации в генах PHYTOCHROME A, ( PHYA: At1g09570 ) или PHYB (At2g18790) влияют на длину корневых волосков, растущих на свету, показывая, что передача сигналов фитохромом может влиять на степень роста кончиков кончиков (Reed и другие., 1993; DeSimone et al., 2000).

Гены, родственные ауксину и этилену. Растительные гормоны ауксин и этилен действуют частично и независимо друг от друга, влияя на многие аспекты развития корневых волосков, как показано в дополнительной таблице 1 (tab.0172-table-1.docx) и на рисунке 16.

AXR2 (Nagpal et al., 2000) и AXR3 (Leyser et al., 1996) являются регуляторами транскрипции ауксин-чувствительных генов, которые влияют на инициацию корневых волосков. Распад белков AXR2 и AXR3 стимулируется ауксином (Gray et al.2001). Мутации в AXR2 и AXR3 , которые снижают ауксин-зависимую деградацию, снижают образование корневых волосков, предполагая, что для инициации корневых волосков необходимы ауксин-зависимые изменения экспрессии генов. Помимо инициирования корневых волосков, ауксин регулирует полярность клеток и тканей и, следовательно, расположение корневых волосков на клетках. Это было впервые отмечено у мутантов axr2–1 и rhd6 , у которых изменено как количество, так и расположение корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994).Нормальный участок появления волос восстанавливается для мутантов rhd6 обработкой ауксином (Masucci and Schiefelbein, 1994). Обработка мутантов rhd6 предшественником этилена также восстанавливает положение появления волос, вовлекая в этот процесс этилен. Это подтверждается мутантными фенотипами мутантов ETHYLENE RESPONSE 1 ( ETR1: At1g66340 ) и ETHYLENE OVERPRODUCER 1 ( ET01: At3g51770 ). Мутанты etr1 плохо воспринимают этилен, потому что у них поврежден рецептор этилена.Подобно волосам rhd6 , волосы etr1 выходят ближе к базальному концу волосковой клетки. Растения eto1 производят больше этилена, чем дикого типа, и корневые волоски образуются ближе к апикальному концу клетки (Masucci and Schiefelbein, 1996). Гены, влияющие на транспорт ауксина, такие как AUXIN1 ( AUX1: At2g38120 ), который кодирует носитель притока ауксина, и GNOM (GN: At1g13980), , который влияет на носителей оттока ауксина PIN, также изменяет расположение корневых волосков на клетки с корневыми волосками, образующимися ближе к концу клетки, где концентрация ауксина, вероятно, будет самой высокой (Fischer et al., 2006). Это говорит о том, что градиенты ауксина определяют, где на каждой клетке формируются корневые волоски. Формирование этих градиентов ауксина регулируется этиленом (Ikeda et al., 2009). Вычислительная модель, которая предполагает, что активация ROP увеличивается за счет внутриклеточного ауксина, может учитывать расположение участков ROP и, следовательно, инициацию корневых волосков у различных диких и мутантные растения (Payne, Grierson, 2009).

Ауксин и этилен продолжают вносить вклад в развитие корневых волосков после выбора места инициации.Фенотип мутантов rhd1 подавляется этиленом, вовлекая этилен в регуляцию синтеза стенки корневых волосковых клеток (Seifert et al., 2004). Доказательства роли ауксина в формировании роста кончиков волос получены от мутантов гена AUXIN RESISTANT 1 ( AXR1: At1g05180 ), которые производят некоторые корневые волоски, которые перестают расти после начала удлинения (Pitts et al., 1998) . AXR1 кодирует субъединицу фермента, активирующего RUB1, который необходим для расщепления белка, необходимого для ответов на ауксин.Сходным образом, предполагаемый компонент передачи этиленового сигнала ETHYLENE INSENSITIVE2 ( EIN2: At5g03280 ) необходим для корневых волосков полной длины (Pitts et al., 1998).

Растения с мутациями в генах AXR1, AXR2, и AUX1 имеют больше разветвленных волосков, чем растения дикого типа, что позволяет предположить, что передача сигналов ауксина участвует в механизмах, поддерживающих однонаправленный рост кончиков и предотвращающих ветвление.

Мутации в генах AXR1, ETR1 и AUX1 имеют короткие корневые волоски, поэтому эти гены необходимы корневым волоскам для достижения длины дикого типа (Pitts et al., 1998). Как обсуждалось выше, ETR1 кодирует рецептор этилена, AXR1 кодирует компонент механизма передачи сигналов ауксина, а AUX1 кодирует носитель притока ауксина, поэтому короткие волосы на мутантных растениях etr1, axr1 и aux1 предполагают, что этилен и ауксин стимулируют удлинение (Pitts et al., 1998). В случае этилена это подтверждается фенотипом мутантов eto1 , которые синтезируют больше этилена и имеют более длинные корневые волоски, чем растения дикого типа (Pitts et al., 1998). Избыточная экспрессия переносчика оттока ауксина PIN или PIN-регулятора PINOID ( PID: At2g34650 ) снижает рост корневых волосков (Lee and Cho 2006; Cho et al., 2007), что согласуется с идеей, что внутриклеточный ауксин поддерживает рост. На уровни ауксина может влиять стриголактон, чтобы изменить длину корневых волосков (Kapulnik et al., 2011). Расчет потока ауксина на основе количества и местоположения белков-носителей ауксина предполагает, что ауксин доставляется в развивающиеся корневые волосковые клетки соседними неволосковыми клетками, и что aux1 и wer мутанты имеют короткие корневые волоски, потому что снабжение ауксином развивающимся корневые волоски преждевременно выходят из строя, сдерживая рост корневых волосков (Jones et al., 2009).

Ауксин и этилен, вероятно, через факторы транскрипции контролируют длину корневых волосков. ACC не увеличивает длину корневых волосков у мутантов с потерей функции C2h3 белка цинковых пальцев ZINC FINGER PROTEIN 5 ( ZPF5: At1g10480 ), что позволяет предположить, что этилен может стимулировать рост корневых волосков, активируя транскрипцию через ZPF5 (An и др., 2012). Манипулирование уровнями и стабильностью факторов транскрипции AUX / IAA AXR3 и SHY2 изменяет зарождение корневых волосков и длину корневых волосков (Knox et al.2003 г.). Дальнейшие доказательства того, что ауксин действует на рост корневых волосков посредством механизма транскрипции, получены от мутантов, лишенных основного транскрипционного фактора спираль-петля-спираль RSL4, у которых ауксин не может стимулировать рост корневых волосков (Yi et al. 2010). Рисунок 20 суммирует эффекты передачи сигналов ауксина и этилена на фенотип корневых волосков.

Рисунок 20.

Роль передачи сигналов ауксина и этилена в росте корневых волосков.

Повышенная передача сигналов ауксина или этилена перемещает сайт инициации в более апикальное положение и увеличивает степень удлинения во время роста кончика.Снижение передачи сигналов ауксина или этилена имеет противоположный эффект.

Гены, влияющие на координацию прекращения роста кончиков. Один мутант влияет на координацию событий в конце роста кончика (гиперссылка на раздел о конце роста кончика выше ). Мутации в SUPPRESSOR OF AUXIN RESISTANCE1 ( SAR1: At1g33410 ) вызывают образование расширенных (жирных) кончиков на концах корневых волосков (Рисунок 16). SAR1 действует ниже AXR1 в ответе на ауксин, предполагая, что передача сигналов ауксина играет координирующую роль в конце роста корневых волосков (Cernac et al., 1997).

Корневые волоски — обзор

2.1.2 Слизь и экссудаты

Корневые волоски почти всех растений и пограничные клетки корневого чехлика выделяют слизь и экссудаты (M / E) в ризосферу почвы (Driouich et al. ., 2013; McNear, 2013; Zhang et al., 2011). После этого секретируемый M / E взаимодействует с наночастицами над семенной оболочкой (Yang et al., 2012), а также с поверхностью клеток или остатками некоторых видов фитопланктона (рис.3 и 4; Baldi et al., 1997; Bar-Zeev и другие., 2015; Тюфекчи и др., 2010). Слизь с высокой и низкой молекулярной массой, которая нерастворима и растворима по своей природе соответственно (McNear Jr, 2013; Walker et al., 2003), высокореактивный чувствительный материал защищает и иногда создает первые барьеры для поглощения НЧ растением. Таким образом, слизь и экссудаты энергично защищают клетки растений от окружающего стресса, такого как механическое сопротивление и загрязненные металлы и т. Д. Они также повышают биодоступность и определяют основные питательные вещества и взаимодействуют с симбиотическими микроорганизмами (Driouich et al., 2013; Хавс и др., 2000; Mckenzie et al., 2013; McNear Jr, 2013). Первичный защитный механизм слизи и экссудатов зависит от размера наночастиц, их поверхностного покрытия и растворимости.

Рис. 4. Схематическое описание основного захвата, транслокации, экскреционных барьеров, путей и транспортных процессов наночастиц (НЧ) в растениях, как описано в литературе (Schwab et al., 2016). В ксилеме изменение цвета отражает изменение гидравлического потенциала: отрицательный у листьев и менее отрицательный у корней.Флоэма: переход цвета отражает высокую осмолярность листьев и низкую осмолярность корней. Сплошные линии — наблюдаемые процессы; пунктирными линиями отмечены другие возможные пути.

После поглощения наночастицы энергетически взаимодействуют со слизью и экссудатами внешней поверхности растения (Burkhardt et al., 2012; Cherchi et al., 2011; Driouich et al., 2013; Ma et al., 2011; Yang et al. ., 2012; Zhang et al., 2011, 2012). У наземных растений наночастицы часто накапливаются и накапливаются в основном рядом с поверхностью корней, кончиками корней, точнее, над корневым покровом и волосками (пограничными клетками) (Al-Salim et al., 2011; Обер и др., 2012; Geisler-Lee et al., 2012; Гленн и др., 2012; Курепа и др., 2010; Ли и др., 2013; Наир и др., 2011; Наварро и др., 2012; Чжан и др., 2011, 2012; Чжао и др., 2012b; Чжу и др., 2008). Поглощение и поглощение наночастиц корневой системой оказалось гибким: часть положительно, нейтрально и отрицательно заряженных частиц нанозолота, переносимая с поверхности корня (¼ адсорбированная на поверхности), составляла от 14% до 90% всей концентрации в корне. для риса, райграса многолетнего, редиса и тыквы (Zhu et al., 2012). Для огурца ( Cucumis sativus L.) Zhang et al. (2011) сообщили, что только 7,5–8,9% положительно заряженного нано- ¹⁴¹ CeO ₂ адсорбируется на поверхность корня после пяти промывок деионизированной водой. Было замечено, что наночастицы серебра накапливаются в слизистой оболочке и пограничных клетках Arabidopsis thaliana , что приводит к коричневому окрашиванию корневого чехлика (идеальный симптом взаимодействия нано-Ag). Обесцвеченный участок обычно можно увидеть невооруженным глазом (Geisler-Lee et al., 2012; Thuesombat et al., 2014). Это изменение цвета в основном является результатом осаждения из корневых покровов и кончиков корневых волосков исключительно из растений, обработанных NP. Когда этот обесцвеченный участок просматривается через конфокальную микроскопию в темном поле, он дает сигнал рассеяния, который характерен для электронно-плотных твердых частиц окрашенного материала (Geisler-Lee et al., 2012). Наночастицы, такие как нано-CeO ₂ , также образовывали агрегированные структуры при контакте со слизью.Zhang et al. (2011) сообщили об огромном количестве иммобилизованных наночастиц, образующих гелеобразное электронно-прозрачное вещество на периферическом слое корня корня, на основании исследования просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Слизь и экссудаты, выделяемые растениями или микроорганизмами, вызывают закисление ризосферы растений (Ma et al., 2011; Schaller et al., 2013), что способствует растворению наночастиц (Lv et al., 2015; Ma et al., 2011; Parsons et al., 2010; Vannini et al., 2014; Zhang et al., 2012). Добавление наночастиц и их накопление на поверхности корня (с помощью слизи) может привести к снижению транслокации от корня к побегу, что часто сопровождалось положительным поверхностным зарядом наночастиц (Zhu et al., 2012). С другой стороны, отрицательно заряженные нано-Au или квантовые точки (КТ) показали более высокую скорость переноса просто из-за меньшей коннотации с отрицательно заряженной частью эндоцитоза растения (Wang et al., 2014; Zhu et al., 2012) . Однако некоторые наночастицы, такие как суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION), могут перемещаться от корней к побегам независимо от их заряда (Ghafariyan et al., 2013). Также было замечено, что отрицательно заряженные наночастицы, например Ализарин Красный S, меченный нано-TiO ₂ , действительно интенсивно накапливается в толстой слизистой оболочке семян (Kurepa et al., 2010; Yang et al., 2012). Фракция наночастиц, которая взаимодействует с корнями, проходит через слизь, преимущественно, если поверхностный заряд отрицательный, как упоминалось выше, или если наночастицы сравнительно малы. Несколько типов наночастиц, таких как нано-Ag (<20 нм), обнаруженные с помощью ПЭМ и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ТЕМ-EDS), наряду с существующей слизью также наблюдались в клеточной стенке корневого чехлика (Geisler- Ли и др., 2012). Очевидно, слизь при прямом контакте с данной водой или почвой собирает большие порции наночастиц, которые имеют тенденцию уменьшать перемещение наночастиц от корня к побегу и их дальнейшее проникновение в клетки. Слизь имеет относительно обычное защитное действие, в отличие от движения наночастиц через большое разнообразие наземных растений, размеров и покрытий наночастиц. Защитный эффект, по-видимому, охватывает, в частности, за некоторыми исключениями, против малых (Zhang et al., 2011) и положительно заряженных наночастиц (Zhang et al., 2011; Zhu et al., 2012).

Корни растения

Корни — Онлайн-учебник по биологии

Упорные корни дерева

При прорастании семян корень зародыша, называемый корнем , прорастает и превращается в первый корень.Корешок может утолщаться в стержневой корень с множеством ветвящихся корней или может развиться во множество придаточных корней . Прямая противоположность стержневой системы корня — мочковатая корневая система . Это происходит из множества побочных корней. В диаметре корни в волокнистой системе очень мелкие. Есть много зрелых растений, у которых есть комбинированная система, что означает, что есть главный стержневой корень с множеством ветвящихся волокнистых корней. Корневые волоски или отростки эпидермиса, как описано в учебном пособии Plant Tissue , значительно увеличивают площадь контактной поверхности корневой системы.Это обеспечивает больший обмен с окружающей почвой.

В целом, большинство двудольных растений (горох, морковь) или двух семенников имеют систему стержневых корней, в то время как однодольные растения (кукуруза, травы) или однодольные растения имеют мочковатую корневую систему. Дальнейшие сравнения однодольных и двудольных можно найти в следующих руководствах: Fruits Flowers and Seeds & Stems .