Zapewne każdy z nas, przyglądając się różnym liściom, dostrzegł na nich ciekawe wzory nerwów. Ich ułożenie jest powtarzalne, a przez to przewidywalne i charakterystyczne dla każdego gatunku roślin, podobnie jak układ samych liści na łodydze. Dr hab. Agata Burian z Katedry Biofizyki i Morfogenezy Roślin Uniwersytetu Śląskiego w ramach projektu dofinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki postanowiła zbadać, w jaki sposób wytwarzane są takie właśnie wzory i co determinuje ich powstawanie.

Wierzchołek pędu z liśćmi

Ułożenie liści na wierzchołku pędu

Wzór nerwów na liściu

Rośliny w przeciwieństwie do zwierząt nie potrafią się przemieszczać. W związku z tym musiały wykształcić inne mechanizmy, które pozwalają im dopasować się do środowiska, w którym żyją. Jednym z nich jest niezwykle złożony plan budowy podlegający ciągłemu rozwojowi i częściowo regulowany przez czynniki środowiskowe. Choć rośliny tworzą niezwykle skomplikowane struktury, ich poszczególne elementy okazują się jednak powtarzalne i przewidywalne.

Jeśli przyjrzymy się z bliska liściom wyrastającym z łodygi danej rośliny, możemy dostrzec pewną regularność w ich rozmieszczeniu. Okazuje się, że układ liści jest charakterystyczny dla poszczególnych gatunków. Na przykład u kasztanowca liście ustawione są naprzeciwlegle, co oznacza, że dwa liście zawsze będą wyrastać naprzeciw siebie. Innym przykładem jest wierzba, w przypadku której z węzła wyrasta tylko jeden liść, a kolejne rosną w taki sposób, że łącząca je linia tworzy spiralę. Taki typ ulistnienia nazywany jest skrętoległym. Z kolei ulistnienie nakrzyżległe charakteryzuje pokrzywę, której liście wyrastają naprzeciw siebie, każda kolejna para w stosunku do sąsiedniej usytuowana jest jednak pod kątem 90°.

Ułożenie liści charakterystyczne dla poszczególnych gatunków tworzy zatem pewien wzór. Podobnie jest z tkanką waskularną liścia, czyli układem nerwów głównych oraz bocznych, które możemy obserwować u poszczególnych gatunków. Układy nerwów zależą ściśle od kształtu liścia i ulegają rozwojowi w trakcie jego wzrostu. Układ siatkowy jest charakterystyczny na przykład dla bluszczu lub dębu, równoległy – dla liści traw.

– Z jednej strony mamy niezwykle złożony plan budowy rośliny, z drugiej – potrafimy wskazać te elementy, które są powtarzalne, a co za tym idzie: przewidywalne. W związku z tym zakładamy, że muszą istnieć mechanizmy kontrolujące tworzenie się takich układów. Kluczową rolę odgrywają tutaj czynniki endogenne zapewniające ciągłość i integrację nowo powstających struktur z już istniejącymi – mówi dr hab. Agata Burian, kierownik projektu.

W ramach realizowanego projektu biolog postanowiła sprawdzić, jaką rolę odgrywa system waskularny w tworzeniu wzorów u roślin. Główną hipotezą badań jest to, że istniejące struktury determinują powstawanie nowych form, a źródłem informacji służącej tworzeniu kolejnych organów lub dalszemu ich rozwojowi jest właśnie system waskularny.

Tkanka waskularna składa się z komórek tworzących wiązki przewodzące występujące we wszystkich organach roślinnych, czyli w łodygach, korzeniach i liściach. To właśnie nimi transportowane są do organów roślinnych różne substancje, takie jak cukry, białka czy woda, bez których funkcjonowanie rośliny byłoby niemożliwe.

– Przyjęliśmy, odwołując się do klasycznych hipotez, że tkanka waskularna wykorzystywana jest także do przesyłania pewnych sygnałów do wierzchołkowych części pędu, dzięki czemu tworzą się nowe organy, a sam system waskularny zostaje rozbudowany – tłumaczy kierownik projektu. – Możliwe jest zatem, że istnieje jeden mechanizm odpowiadający zarówno za ułożenie liści wyrastających z łodygi, jak i za wzór unerwienia każdego liścia.

Obecnie naukowcy badają zależności pomiędzy układami nowych liści i wiązek przewodzących pędu. W tym celu pracują nad wizualizacją systemu waskularnego w pędzie wybranej rośliny modelowej – Arabidopsis thaliana. Wykorzystując obrazowanie 3D przy pomocy laserowego mikroskopu konfokalnego, odtwarzają obraz wierzchołka, ponieważ tam powstają nowe liście i zapoczątkowany zostaje podstawowy plan budowy rośliny.

Ze względu na złożoność systemu waskularnego pędu do zrozumienia jego struktury i funkcjonowania niezbędne są metody komputerowe. W związku z tym do udziału w realizacji projektu zostali zaproszeni również informatycy z Wydziału Matematyki i Informatyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu, którzy przygotowują oprogramowanie umożliwiające wizualizację i analizę w 3D całego systemu waskularnego w łodydze Arabidopsis.

Członkowie zespołu realizującego projekt reprezentujący Uniwersytet Śląski, od lewej: dr Magdalena Raczyńska-Szajgin, dr hab. Agata Burian (kierownik), Szymon Jędruszek oraz mgr Nikolina Skowrońska. W pracach zespołu uczestniczyli również: dr Wojtek Pałubicki i mgr Andrzej Kokosza z UAM w Poznaniu

Następnie prowadzone będą eksperymenty polegające na uszkadzaniu poszczególnych wiązek w taki sposób, aby można było sprawdzić wpływ zmian na powstawanie nowych liści.

– Z naszych dotychczasowych badań wynika, że usunięcie liścia wraz z jego wiązką przewodzącą na bardzo wczesnym etapie rozwoju powoduje zmiany w układzie kolejno wytwarzanych liści, co może wskazywać na to, że wiązka przewodząca istniejącego liścia jest źródłem informacji pozycyjnej dla nowo powstających organów – mówi dr hab. Agata Burian.

W ramach projektu prowadzone są również badania nad rozwojem wzoru nerwów u liści – ponownie z wykorzystaniem modelowej rośliny Arabidopsis thaliana. Naukowcy opracowali metodę, dzięki której możliwe stanie się obrazowanie in vivo liści od momentu ich powstania na wierzchołku pędu do wytworzenia nerwu głównego i kilku nerwów bocznych. Jak wyjaśnia kierownik projektu, podczas kolejnych eksperymentów mikrochirurgicznych nerwy rośliny będą nakłuwane bardzo cienką igłą, w wyniku czego ulegną uszkodzeniu. W tym celu wykorzystany zostanie również laser, przy pomocy którego uszkadzane będą pojedyncze komórki poszczególnych nerwów na wierzchołku pędu. W ten sposób naukowcy chcą sprawdzić hipotezę, zgodnie z którą badane nerwy są nośnikami informacji do wytwarzania kolejnych, nowych nerwów.

Biolodzy zakładają, że centralny system kontroli powstawania wzorów może być związany z auksyną, hormonem roślinnym odgrywającym kluczową rolę w inicjacji powstawania nowych organów czy specyfikacji komórek tworzących system waskularny. W związku z tym sygnały pochodzące z systemu są prawdopodobnie związane z działaniem tego hormonu.

– Mogą to być sygnały mechaniczne lub chemiczne regulujące na przykład transport auksyny z komórki do komórki. Istnieje wiele różnych hipotez tłumaczących, w jaki sposób auksyna kontroluje wytwarzanie organów czy tkanki waskularnej. My będziemy chcieli sprawdzić, czy możliwe jest, aby ten sam mechanizm odpowiedzialny był za jeden i drugi proces, a zatem za powstawanie nowych liści oraz tworzenie nowych nerwów – tłumaczy biolog z Uniwersytetu Śląskiego. Jak dodaje, nie istnieją jednak proste metody umożliwiające wizualizację działania wskazanego hormonu w tkankach żywej rośliny, dlatego w prowadzonych badaniach wykorzystywane są linie transgeniczne Arabidopsis z wyznakowanymi przy pomocy białek fluorescencyjnych (na przykład GFP) różnymi genami związanymi z działaniem auksyny: z jej transportem, biosyntezą czy genetyczną odpowiedzią komórkową.

Wyjaśnienie związków pomiędzy systemem waskularnym pędu a powstawaniem nowych liści oraz wpływu istniejących nerwów w liściach na tworzenie nowych nerwów u Arabidopsis pozwolą rozszerzyć badania na inne gatunki roślin. Pod uwagę brany będzie pomidor posiadający skrętoległy układ liści na łodydze oraz wybrany gatunek traw o naprzeciwległym wzorze liści i o równoległym wzorze nerwów na liściach.

Projekt pn. „Rola systemu waskularnego w tworzeniu wzorów u roślin”, którym kieruje dr hab. Agata Burian, jest finansowany w konkursie Sonata Bis 6 przez Narodowe Centrum Nauki. Na realizację badań przeznaczono ponad 2 mln zł. Fundusze z tego konkursu przeznaczone są na założenie nowych grup badawczych.