Live Cell Imaging von Microtubule Cytoskeleton und mikromechanische Manipulation der Arabidopsis Schießen apical Meristem

Pflanzenzellen sind von einer extrazellulären Matrix aus Polysacchariden und Glykoproteinen umgeben, die mechanisch einem faserverstärkten Verbundwerkstoff ähnelt, der seine mechanischen Eigenschaften dynamisch verändern kann¹. Das Wachstum der Pflanzenzellen wird durch die Aufnahme von Wasser in die Zelle angetrieben, was zu einer gleichzeitigen Ansammlung von Zugkräften an der Zellwand führt. Als Reaktion auf solche Kräfte ermöglichen Modifikationen des physikalischen Zustands der Zellwand eine Zellexpansion. Zellen mit Primärwänden sind in der Lage, im Vergleich zu sekundären Zellwand enthaltenden Zellen ein schnelles Wachstum zu verzeichnen, hauptsächlich aufgrund von Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung der Polysaccharide im Inneren. Primäre Wandzellen bestehen aus Cellulose, Hemicellulose und Pektin zusätzlich zu Glykoproteinen und fehlen Lignin, einer Komponente, die in der sekundären Zellwand²vorhanden ist. Cellulose, ein Glukosepolymer, das über β-1,4-Bindungen verbunden ist, ist der Hauptbestandteil der Zellwände. Es ist in fibrillare Strukturen organisiert, die in der Lage sind, hohen Zugkräften zu standzuhalten, die während des Zellwachstums erfahren werden³. Neben zugfesten Zugkräften führt die mechanische Verstärkung entlang einer bevorzugten Richtung zu einer turgorengetriebenen Ausdehnung entlang einer Achse senkrecht zur Netzausrichtung des Cellulose-Mikrofibrils. Die Organisation der Cellulose-Mikrofibrillen wird durch das kortikale Mikrotubuli-Zytoskelett beeinflusst, da sie die Richtungsbewegung der Cellulose-Synthesizing-Komplexe an der Plasmamembran⁴leiten. Daher dient die Überwachung der kortikalen Mikrotubuli-Organisation mit einem Mikrotubuli-assoziierten Protein oder Tubulin, das mit einem fluoreszierenden Molekül verschmolzen wird, als Proxy für die Beobachtung von darüber liegenden Mustern von Zellulose in Pflanzenzellen.

Die Musterung des kortikalen Mikrotubuli-Zytoskeletts ist unter der Kontrolle von Zell- und Gewebemorphologie abgeleiteten mechanischen Kräften. Kortikale Mikrotubuli-Organisation hat keine bevorzugte Organisation im Laufe der Zeit in Zellen, die sich an der Spitze des SAM befinden, während Zellen in der Peripherie und der Grenze zwischen dem SAM und dem entstehenden Organ eine stabile, hochorganisierte suprazelluläre Anordnung von kortikalen Mikrotubuli⁵haben. Es wurden mehrere Ansätze entwickelt, um den mechanischen Status der Zellen physisch zu stören. Veränderungen des osmotischen Status sowie die Behandlung mit pharmakologischen und enzymatischen Verbindungen, die die Steifigkeit der Zellwand beeinflussen, können zu nachträglichen Veränderungen der Zugkräfte der Zelle^6,7führen. Die Verwendung von Kontraptionen, die eine allmähliche Zunahme der Druckkräfte durch Gewebe ermöglichen, ist eine weitere Alternative⁸. Die Anwendung von Fliehkräften hat auch gezeigt, dass die mechanischen Kräfte ohne physischen Kontakt mit den Zellen^{beeinflussen 9}. Die am weitesten verbreiteten Mittel zur Änderung der Richtungskräfte in einer Gruppe von Zellen nutzen jedoch die Tatsache, dass alle epidermalen Zellen unter Spannung stehen und die physikalische Ablation der Zellen den Turgorendruck lokal eliminiert und die Zell-zu-Zell-Adhäsion stört und dadurch die Zugkräfte der benachbarten Zellen verändert. Dies geschieht entweder durch gezieltes Targeting eines hochleistungsbetriebenen, gepulsten ULTRAviolettlasers oder mittels einer feinen Nadel.

Hier erarbeiten wir den Prozess der Bildgebung und Bewertung des kortikalen Mikrotubuli-Verhaltens für mechanische Störungen am SAM.