綿繊維は世界で最も生産されている非食用作物です FAOによると。 その 生産に大きく貢献 多くの開発途上国の経済と、世界中の何百万もの地方の小規模農家の生活に貢献しています。
現代の綿の品種は、何千年も前にさかのぼる栽培化と改良のプロセスから派生しました。 この間の大きな変化は、綿繊維が より長く、より細かく、より強く.
繊維の品質をさらに改善するために綿を設計する現代の取り組みは、繊維の特性を制御する根本的なメカニズムに関する知識が不十分なために妨げられています。
パデュー大学の植物学および植物病理学の教授であるダニエル・シマンスキー博士とネブラスカ大学のジョー・ターナー博士 綿繊維の直径と長さを制御する細胞成分を分析できる現実的なシミュレーションを開発しました.
各綿繊維は、発達中の種皮の表面で成長する個々の細長い細胞です。 これにより、高度な顕微鏡技術を使用した精製と画像化が容易になり、植物の成長と発達、細胞壁の組み立て、および細胞の形態形成に関する洞察のための強力な単一細胞モデルになります。
繊維の構造が最終製品の品質を決定します。 シマンスキー博士は次のように説明しています。 細胞発生の開始時に、繊維は急速に先細りになり、結果として得られる直径は、繊維が伸びても維持されるように見えます。 したがって、先細りの程度と期間が細胞壁の直径を決定するため、細胞壁の先細りのメカニズムに焦点を当てました。」
生細胞顕微鏡を使用して、開花後数日で測定された正確な発達タイムラインと繊維の先細りの程度を決定しました。 これには、初期のファイバー開発中の局所的なセル拡張率とファイバー先端の曲率半径 (ファイバー直径のプロキシ) の測定が含まれていました。
彼らの調査は、細胞が高度に分極した (非対称な) 細胞形状を生成および維持できるようにするため、細胞骨格構造に焦点を当てました。 細胞骨格は、アクチンまたは微小管フィラメントでできています。 両方が協力して、綿繊維の先細りを仲介します。 先細りする細胞のアクチンネットワークを分析するために、彼らは生細胞イメージングと粒子追跡を組み合わせて使用しました。 著者らは、細胞内のアクチン道路の局在化を通じて、細胞が膨張している細胞表面全体に原材料の送達をどのように分配するかを決定しました。
興味深いことに、彼らは、成長中の細胞壁でセルロースミクロフィブリルの方向をパターン化する微小管細胞骨格が、先端微小管枯渇ゾーンと高度に組織化された横方向微小管を含むことを発見しました。
著者らは、綿繊維の成長の有限要素モデルを作成し、セルの膨張を伴わずに繊維の先細りと繊維の伸長を可能にするために壁のどのような材料特性が必要かを判断しました。 これらのシミュレーションは、半径方向の膨張を制限するための横方向の繊維の厳密な要件と、頂点での細胞の直径が成長中に徐々に制限されるようにするための頂点のランダムに配向された繊維の等方性ゾーンを明らかにしました。 このモデルはまた、壁の引張力の大きさと方向を予測する信頼できる方法を提供しました。 これらのシミュレーションは、力の大きさと向きが微小管システムにフィードバックして、細胞が細胞形状を微小管依存の細胞壁パターニングと統合できるようにすることを示しています。 モデル作成の中心となったのは、前述のマルチスケールの実験データです。
Szymanski 氏によると、「有限要素モデル シミュレーションと最新の細胞生物学の組み合わせにより、ファイバー エンジニアリングを可能にする知識ベースが提供されます。 現在の重要な課題は、直径、ねじれ、長さなどの重要な繊維特性の根底にある遺伝子とモジュールを特定することです.
記事を読む：
M 柳沢、S Keynia、S Belteton、JA Turner、DB Szymanski、綿繊維の直径と長さを制御する保存された細胞機構、 in silico Plants、2022;、diac004、 https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac004
