Architektura liści
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.
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 – Arabi-dopsis 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. 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 wrazz jego wiązką przewodzącą na bardzowczesnym etapie rozwoju powodujezmiany w układzie kolejno wytwarzanychliści, co może wskazywać nato, że wiązka przewodząca istniejącegoliścia jest źródłem informacji pozycyjnejdla nowo powstających organów– mówi dr hab. Agata Burian.
Projekt pn. „Rola systemu waskularnego w tworzeniu wzorów u roślin”,którym kieruje dr hab. Agata Burian, jest finansowany w konkursie Sonata Bis 6 przez NarodoweCentrum Nauki. Na realizację badańprzeznaczono ponad 2 mln zł.Fundusze z tego konkursu przeznaczonesą na założenie nowych grupbadawczych.
Pełna wersja artykułu została opublikowana w Gazecie Uniwersyteckiej UŚ nr 4 (264) styczeń 2019.
