Die Pflanzenbewegung fasziniert seit langem viele Forscher. Hülsenfrüchte sind eine Gruppe von Pflanzen, die dafür bekannt sind, verschiedene Blattbewegungen zu zeigen, einschließlich der „nyktinastischen Bewegung“, bei der sich die Blätter tagsüber öffnen und nachts schließen. Ähnliche Pflanzenbewegungen umfassen durch blaues Licht induzierte und berührungsempfindliche Bewegungen, wie z. B. bei empfindlichen Pflanzen wie Mimosa Pudica.
Bewegung in Blattstrukturen wird durch wiederholte und reversible verursacht Erweiterung und Kontraktion von Motor- Zellen, das sind die Zellen in einer Struktur namens Pulvinus an der Basis der Blättchen und Blattstiele. Solche repetitiven und reversiblen Zellausdehnungen und -kontraktionen sind sehr selten in Pflanzenzellen, die von einer starren Hülle umgeben sind Zellenwand. Darüber hinaus ist nicht gut verstanden, wie Motorzellen zu einer wiederholten und reversiblen Ausdehnung und Kontraktion fähig sind.
Pflanzenzellwände bestehen aus einer Reihe von Zellulosemikrofibrillen, die als Reaktion auf osmotische Konzentrationsunterschiede zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle schrumpfen oder sich ausdehnen. Das Ausmaß der Veränderung, das durch Anisotropie in der Anordnung von Zellulosemikrofibrillen induziert werden kann, kann jedoch nicht die gesamte Bandbreite von erklären Bewegung des Pulvinus.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Miyuki Nakata und Taku Demura am Nara Institute of Science and Technology (NAIST) untersuchte die Querschnitte von pulvinaren Motorzellen von Desmodium paniculatum mit konfokaler Lasermikroskopie, um den Mechanismus der repetitiven und reversiblen Zellexpansion und -kontraktion zu untersuchen. Sie identifizierten einzigartige umlaufende „Schlitze“ in der Zellwand der Motorzellen, die weniger Zellulose enthielten. Die Strukturen wurden über zwei Unterfamilien von Leguminosen hinweg konserviert, darunter Sojabohnen, Kudzu und sensible Pflanzen.
Beim Übertragen von Gewebeschnitten aus kortikalen Motorzellen von Leguminosen in Lösungen unterschiedlicher Osmolarität nahmen die Pulvinarschlitze an Breite zu, was auf einen Mechanismus hinweist, durch den Pflanzenzellwände könnte sich als Reaktion auf Lösungen mit unterschiedlicher Osmolarität biegen.
Durch eine Kombination aus detaillierter Zellwandanalyse, Computersimulationenund Beobachtungen von Pulvinarschlitzen in Zellen, die eine Ausdehnung und Kontraktion erfahren, wurde festgestellt, dass Pulvinarschlitze mechanisch flexible Strukturen sind, die sich während der Zelldehnung und -kontraktion öffnen und schließen.
„Computermodelle legen nahe, dass pulvinare Schlitze bei Vorhandensein von Turgordruck eine anisotrope Ausdehnung in die Richtung senkrecht zu den Schlitzen erleichtern“, sagt Miyuki Nakata. Die Forscher verglichen die Aktion mit den geraden Schnitten oder Schlitzen, die in Kirigami, einem japanischen Papierhandwerk, verwendet werden, um die Dehnbarkeit des Papierbogens zu verbessern.
Daher schlug das Forschungsteam vor, dass diese einzigartigen pulvinaren Schlitze Strukturen sind, die dazu dienen, mehr Bewegung der kortikalen Motorzellen zu ermöglichen, als dies sonst durch die typischen Zellulose-Mikrofibrillen in der Zellwand möglich wäre.
„Wir stellen eine Hypothese auf, dass Pulvinarschlitze eine Rolle bei der dynamischen Blattbewegung durch wiederholte und reversible Verformung kortikaler Motorzellen im Zusammenspiel mit anderen Faktoren spielen, darunter Zelluloseorientierung, pektinreiche Zusammensetzung der Zellwand, die Geometrie kortikaler Motorzellen und Die Aktin-Zytoskelett“, sagt Miyuki Nakata.
Die Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Pflanzenphysiologie.