Виды прикорневой объем волос: Прикорневой объем волос — виды и способы создания

7 способов создать прикорневой объём волос — Женский блог

Как сделать волосы объёмными? На кончиках это довольно просто – достаточно накрутить на бигуди или плойку. А вот прикорневой объём сделать гораздо сложнее. Способов масса, от простого начёса до салонных процедур, но они не универсальны, и их следует подбирать исходя из типа и состояния волос, а также времени и средств, которые вы готовы на это потратить.

У меня жесткие и пористые волосы, которые имеют лишь одно преимущество – объём. И когда я пытаюсь их разгладить и «укротить» (например, с помощью кератинового выпрямления), они приобретают блеск и шелковистость, но вот объём уходит. Особенно его не хватает у корней, где волосы просто «прилипают» к голове. При плоском затылке это выглядит особенно некрасиво, поэтому я испробовала немало способов создать прикорневой объём именно в этой зоне.

Способ 1 – обычный начёс

Это самый простой и старый способ для прикорневого объема, которым пользовались еще наши бабушки. Для него нужен только лак для волос и расческа. Можно использовать обычную частую расческу или вот такую специальную щетку для начёса:

Как сделать начёс в затылочной зоне:

1. Отделяем пряди затылочной зоны, которые будем начёсывать, и закалываем на макушке.
2. Начиная снизу, отделяем горизонтальным пробором слой волос, немного сбрызгиваем лаком и начёсываем.
3. Начесав всю зону по слоям, верхний слой оставляем без начёса и закрываем им предыдущие. Всю «конструкцию» сбрызгиваем лаком.

Кому подходит этот способ: только обладателям густых волос. Редкие волосы не перекроют начёс, и его будет видно. При жирных, толстых волосах этот способ тоже не очень хорош, так как прикорневой объём продержится недолго. На сухих волосах начес будет держаться очень хорошо, главное – не перебрать с укладочными средствами, которые тоже могут способствовать подсушиванию.

Достоинства начёса:

• делается очень просто, любая девушка с ним справится
• не требует дорогих средств, приборов и электричества, начёс можно делать где угодно, хоть в походе

Недостатки:

• при начёсе волосы сильно путаются, и расчесать их потом очень непросто можно даже повредить их при расчесывании
• если начесать слишком сильно, то из-под верхнего слоя может быть заметно это «гнездо», особенно в ветреную погоду

Способ 2 – гофрирование

Делается чуть посложнее, но тоже вполне выполнимо в домашних условиях. За счет мелких зигзагообразных изгибов пряди накладываются друг на друга с «зазорами», что и создает прикорневой объем, или даже полный объем, если сделать гофре на всю длину. У меня гофре с Алиэкспресс, вполне справляется с задачей:

Этот способ похож на предыдущий по исполнению:

1. Отделяю зону, на которой буду делать прикорневой объем, закалываю.
2. Начиная снизу, отделяю горизонтальными проборами тонкие слои волос и гофрирую их с помощью специальных щипцов у корней. От корней в данном случае делается отступ примерно в 1 см, чтобы не повредить их и обжечь кожу. Длина самого гофрирования может быть любой – от нескольких сантиметров до всей длины. Но чем больше сделано гофре, тем заметнее оно будет. Для прикорневого объёма достаточно 5-7 см.
3. Гофрирую все слои выбранной зоны, кроме последнего, и также, как при начёсе, последний слой кладу поверх, чтобы спрятать предыдущие.

Кому подходит гофрирование: всем, кому не подошел бы начёс. То есть, будет неплохо смотреться на редких волосах, даже если его будет видно. Немного подсушит жирные волосы и за счет термоукладки прикорневой объем продержится дольше. А вот обладателям сухих волос не стоит увлекаться гофре, чтобы не испортить их окончательно.

Достоинства гофрирования:

• волосы не путаются, их будет легко расчесать
• не требует средств для укладки волос
• даже если вдруг подует ветер, и из-под гладкого слоя волос «выглянет» гофрированный, то это будет выглядеть куда приятнее, чем спутанный колтун начёса.

Недостатки:

• гофрирование, как и утюжок с плойкой, вредно для волос из-за высокой температуры
• невлагостойкий эффект. Под дождем волосы распрямятся

Совет: чтобы не портить шевелюру, делайте гофрирование после мытья головы на тщательно высушенные волосы, и не повторяйте его до следующего мытья. Даже если за это время прикорневой объем немного уменьшится, лучше приподнимите пряди и сбрызните лаком у корней.

Способ 3 – пудра для волос

Средство для укладки, появившееся относительно недавно. Представляет собой мелкий белый порошок и в использовании очень похоже на… детскую присыпку!

Пудра для прикорневого объёма наносится на корни и втирается в волосы, после чего те становятся жесткими и буквально «стоят колом». Это средство (профессиональную линию) часто используется в создании праздничных и свадебных причесок. В сочетании с гофрированием и начёсом вот что получается:

Эффект подобной пудры из масс-маркета куда менее яркий и стойкий:

Приглашаю вас на Ютуб-канал ВегМир. На нём вы найдёте вегетарианские рецепты, лекции о правильном питании, очищении организма, здоровье и здоровом образе жизни.
Обязательно подписывайтесь! 🙂

Кому подходит пудра для прикорневого объёма: обладателям жирных корней! По эффекту она очень похожа на сухой шампунь, только плюс еще и фиксация.

Достоинства пудры для волос:

• простота использования
• уменьшение жирности корней
• длительная фиксация (у профессиональных средств)

Недостатки:

• дешёвые пудры дают эффект грязных волос
• хорошая пудра для прикорневого объема стоит довольно дорого

Способ 4 – процедура Буст-Ап (Bust-Up)

Это салонная процедура на основе химической завивки. Схема действия у нее такая же, как и при гофрировании, только эффект сохраняется надолго – пока не отрастёт.

Как делается (я так и не решилась, поэтому фотка чужая):

На выбранную зону делается прикорневая химическая или боизавивка на очень тонкие коклюшки. Длина завитого участка волоса около 5 см. Верхний слой волос остается без завивки, и под ним не видно кучеряшек.

Кому подходит Буст-Ап: обладателям жирных корней. Эта процедура подсушит их. Вообще волосы для Буст-Ап, как и для химии, должны быть здоровыми, желательно не осветленными и не пересушенными.

Достоинства Буст-Ап:

• долговременный эффект, который сохранится на 4-5 месяцев. Повторять процедуру рекомендуется раз в полгода.

Недостатки:

• вредно для волос. Это та же химическая завивка, тем более на маленький диаметр коклюшки, что делает заломы на локонах более хрупкими. При повторениях процедуры завивка частично наслаивается на предыдущую, что уже после нескольких раз может привести к ломкости.
• отрастая, прикорневая химия никуда не девается. Завитки останутся на том же месте, только будут всё больше и больше отстоять от корней.
• Недёшево. Как и любая салонная процедура, Буст-Ап довольно дорогое удовольствие.

Способ 5 – плетение косичек или накручивание у корней

Если прикорневой объём начёсом, гофрированием или химией вас не устраивает из-за небезопасности этих методов, то можно попробовать этот способ, который для волос абсолютно безвреден, но вот времени отнимет довольно много.

Делать это лучше перед сном:

1. Выбираем зону для создания прикорневого объема так же, как и в предыдущих способах.
2. Делим волосы на мелкие прядки
3. Каждую прядку заплетаем у корней в недлинную косичку (4-5 см) или накручиваем на тонкую коклюшку.

Получается такой же эффект, как и в предыдущих способах.

Кому это подходит: тем, у кого много времени и терпения. Наплести так много мелких, пусть даже коротких косичек – дело кропотливое, и лично я ни разу не смогла довести его до конца. А спать на коклюшках очень неудобно.

Достоинства плетения или накручивания:

• полностью безвредно для волос
• хороший эффект, сравнимый с профессиональным

Недостатки:

• трудно сделать самой
• отнимает много времени
• доставляет неудобства во время сна
• эффект нестойкий, так как нет ни термозавивки, ни химии

Способ 6 – специальные вставки: валики и заколки

Сейчас появилась масса аксессуаров, с помощью которых можно сделать прикорневой объём в домашних условиях. В магазинах они стоят недорого, а в интернете (например, на АлиЭкспресс) их можно купить и вовсе за копейки.

Используются они примерно одинаково:

1. Горизонтальным пробором от висков до затылка отделяем верхний слой волос и закалываем на макушке.
2. Под этим слоем на затылке делаем небольшой пучок и туго завязываем резинкой.
3. Над пучком вставляем валик или заколку так, чтобы зубчики попали за резинку.
4. Распускаем верхний слой волос поверх валика и завязываем еще раз в виде «мальвинки»

Получается прикорневой объём за счет вставки.

Кому подходят вставки: всем, кроме обладателей редких волос, в которых эти валики будет видно. Не подойдут они также любительницам распущенных волос, потому что без «мальвинки» держаться не будут, или же при первом порыве ветра станут заметны. Зато конский хвост, коса и любая высокая прическа с прикорневым объёмом на валике будет смотреться отлично

Достоинства:

• быстро, просто, легко делается в домашних условиях
• безвредно для волос

Недостатки:

• не подойдет для распущенных волос, такие валики носятся только под прическу
• когда вы распускаете волосы и убираете валик, от прикорневого объема не остается и следа

Способ 7 – шампуни и маски для объема волос

Теоретически схема их действия заключается в обволакивании каждого волоска составом, содержащим силикон, за счет чего волосы становятся толще и объёмнее. Но я так и не нашла шампунь или маску, которые давали бы реальный, заметный результат. Поэтому рекомендовать не буду, так как считаю это очередным выманиванием денег у нас, легковерных потребителей.

Такими средствами можно пользоваться, как говорится, для успокоения души. Но если действительно не хватает прикорневого объема, то лучше поискать что-то другое.

Единственное исключение – сухой шампунь, который сушит и приподнимает волосы у корней. И хотя он создан вовсе не для прикорневого объема, а для экстренного мытья головы, его эффект зачастую куда лучше многих профессиональных средств:

Флисинг, Буст ап, Буффант — прикорневой объем волос

Пышная, объемная прическа — мечта каждой женщины. Чтобы ее осуществить, можно прибегнуть к разным методам. Сделать флисинг, Boost Up, использовать прикорневое гофре, бигуди липучки, специальный спрей. Рассмотрим все способы.

Что такое Флисинг

Флисинг показан обладательницам тонких, лишенных пышности локонов. Это средство с натуральным составом. В нем отсутствуют химические компоненты, которые могут нанести вред локонам. Это органический, однофазный состав. Он состоит из протеинов, глицеринов и аминокислот.

Как делают прикорневой объем Флисинг:

1. Голову моют шампунем глубокой очистки. Он поможет хорошо очистить пряди от остатков стайлинга и кожного жира.
2. Далее идет тщательная сушка.
3. Выбирают привычный пробор. Его не нужно обрабатывать средством. Это касается и краевой линии волос в доль лица.
4. Выделяют прядь. На прикорневую зону наносят пудру и делают плотный, короткий, прикорневой начес.
5. На каждую прядь наносят состав для флисинга.
6. Выдерживают время, указанное в инструкции и смывают.
7. Затем наносят маску с низким pH — 3.5
8. Высушиваем волосы с помощью рук и фена — БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСЧЕСКИ.

После флисинга, в течении 2-3 месяцев, сушим голову только феном и руками. Нельзя использовать укладочные средства и брашинг в зоне нанесения средства, только по длине и на концах.

После проведения процедуры голову нельзя мыть двое суток. Шампуни разрешается использовать только на натуральной основе, парабены и силиконы в них присутствовать не должны. Если за локонами основательно ухаживать, то эффект может продлиться от двух до трех месяцев.

Boost Up — биозавивка

Буст Ап

Boost Up — это техника прикорневой завивки. Объем создается за счет нижних прядей, верхние не подвергаются химическому воздействию.

Визуально завивку невозможно заметить, появляется только пышность. Эффект сохраняется до полугода. Рекомендуется для средних и длинных локонов.

Еще одна важная деталь — провести Boost Up самостоятельно дома не получится. Нужны специальные парикмахерские навыки и качественная косметика.

Для выполнения Boost Up потребуется как минимум два часа. На начальном этапе мастер оставляет верхние пряди, они подвергаются завивке. Биозавивка делается при помощи специальной смеси, которая наносится у корней.

Специалисты утверждают, что цистиамин, входящий в состав средства для биозавивки безвредный. Он восстанавливает структуру локонов и образовывает защитный фильтр.

Буффант (Bouffant)

При проведении процедуры буффант проводится завивка волос у корней. Схема имеет сходства с Boost Up.

1. Голову тщательно моют.
2. Выполняют завивку на бигуди с липучками.
3. Наносят средство для защиты Color Block. Средство Bouffant носится ближе к корням.
4. Надевают специальную шапочку. Ждут 30 минут. Именно в этот промежуток времени начинает действовать косметическое средство.
5. Затем бигуди снимают — голову моют.
6. Наносят специальный несмываемый кондиционер.

Наносить различные косметические средства, мыть голову разрешается только через два дня. Объем после процедуры Буффант сохраняется несколько месяцев.

Как ухаживать за волосами после процедур

После того, как проведены процедуры по увеличению объема, рекомендуют несколько дней воздержаться от мытья головы. Это помогает средству как следует закрепиться.

Для мытья нужно использовать мягкие шампуни, например, предназначенные для частого использования.Самостоятельно дома раз в неделю можно делать увлажняющие маски.

Как сделать объем с помощью щипцов гофре

Дополнительный объем можно получить с помощью обычных щипцов гофре. Он сохраниться до нескольких дней. До тех пор, пока голова не будет вымыта.

Перед созданием прически нужно тщательно промыть голову. Важно использовать термозащиту.

Далее плойка должна максимально нагреться. Пряди аккуратно разделяются на зоны, если есть такая необходимость, то для фиксации можно использовать заколки. Локон фиксируется щипцами на несколько секунд. Процедура повторяется с каждой прядкой.

Как сделать объем с помощью фена

Чтобы создать объем обычным феном, нужно, как и в предыдущих случаях, тщательно вымыть голову и нанести термозащиту. После голову разделяют на зоны. На каждую прядь наносится пенка или спрей для укладки. Волосы поднимаются от корней массажной щеткой. Результат лучше зафиксировать лаком. Прическа держится до следующего мытья.

Объемная укладка с помощью бигуди

Объемную укладку с использованием поролоновых бигуди можно сделать на ночь или за 30 минут с утра Голову тщательно промыть, термозащиту при создании такой прически наносить не нужно. Далее понадобится обычный мусс.

Волосы закручиваются на бигуди. Чтобы эффект зафиксировался, в таком виде нужно ложиться спать. На утро бигуди раскручиваются, на прическу наносится лак для волос.

Спрей для объема — какой выбрать

Wella Professionals выпускает спрей для укладки. Средство для укладки локонов называется Sugar Lift. Он хорошо создает объем на локонах разной длины.

Марка Nioxin радует покупателей средством Bodyflying Foam. Специалисты рекомендуют использовать такой спрей обладательницам тонких локонов. Косметика создает эффект визуального объема.

В целом при выборе спрея нужно отталкиваться от типа, структуры локонов и желаемого результата.

Прикорневой объем волос 2020: самые эффективные процедуры и способы | Красотка

Красивая, безукоризненная прическа — это отражение вашего стиля. Многие виды укладок выглядят совершенно только на волосах достаточного объема. Для того, чтобы приподнять тонкие, гладкие волосы и создать эффект пышной шевелюры, сегодня существуют специальные процедуры для придания прикорневого объема волосам.

Бустап (Boost up)

Эта салонная процедура представляет собой прикорневую завивку волос различными составами. Она имеет длительный эффект — от 3 до 6 месяцев. Сильнее всего результат завивки заметен на коротких и средней длины волосах.

Чтобы поддержать форму и не навредить волосам, повторять бустап в салоне рекомендуется примерно 2 раза в год.

После создания прикорневого объема таким способом, волосы долго не салятся, однако распушенная зона у корней будет требовать дополнительного увлажнения специальными средствами.

Буффант

Такой метод отличается от бустапа технологией прикорневой завивки (без использования шпилек), при котором изгиб выглядит более натурально.

Флиссинг

При флиссинге шикарный прикорневой объем достигается тоже с помощью специального состава, но при этом не используются бигуди, а волосы начесываются расческой. Это самая быстрая и щадящая из таких салонных процедур.

Получение прикорневого объема в домашних условиях

Дома необходимого эффекта можно добиться при помощи определенных способов укладки:

• нанесите на волосы пенку, равномерно распределив ее руками в прикорневой области, опустите голову вниз и просушите на максимальной мощности феном с диффузором;
• круглой расческой, накручивая поочередно прядь за прядью, высушите локоны феном, обработанные пенкой у корней волосы;
• равномерно распылите лак для волос сильной фиксации на прикорневую зону по всей голове, приподняв пряди вверх;
• приподнять волосы, предварительно накрутив их на бигуди или плойку.

Ни в коем случае не стоит рисковать, пытаясь повторить дома салонные процедуры с химическими составами!

Boost Up и подобные ему процедуры – это современная тенденция в индустрии красоты, призванная забыть на какое — то время о ежедневных укладках для создания дополнительного объема.

А как вы относитесь к прикорневому объему? Предпочитаете объем с длительным эффектом, полученный при помощи химических средств или обычную укладку с прикорневым объемом? Напишите в комментариях, каким способом придания волосам пышности пользуетесь вы.

Прикорневой объем волос – пышная прическа просто и надолго

Женщинам с тонкими и не слишком густыми локонами сложно сделать пышную укладку. Даже при умелом придании дополнительного объема волосам, прическа держится недолго, и к концу дня пряди снова выглядят «плоскими». Решить эту проблему помогает специальная косметика и особые техники укладки.

Средства для объема волос у корней

На оформление прически часто не хватает времени, особенно по утрам, поэтому женщины предпочитают самые быстрые методы увеличения пышности локонов. Простые экспресс-способы, как придать объем волосам у корней:

• обработка специальным спреем;
• использование плойки со щипцами гофре;
• применение стандартного утюжка.

Спрей для объема волос у корней

Производители парикмахерской косметики выпускают много средств, обеспечивающих дополнительную пышность. Их необходимо наносить на влажные пряди и сушить феном, приподнимая локоны вверх. Выраженный объем у корней можно получить после использования следующих спреев:

• Biosilk Volumizing Therapy Root Lift;
• Paul Mitchell Lemon Sage Thickening Spray;
• Redken Body Full Volume Amplifier;
• Moroccanoil Root Boost Volume;
• Wella EIMI Sugar Lift;
• Matrix Total Results Amplify Wonder Boost;
• L’Oréal Expert Volumetry;
• Schwarzkopf OSIS+ Glamour Queen;
• Nexxt Spray Volume-Up;
• Kérastase Resistance K Volumifique.

Плойка для прикорневого объема

Когда волосы сухие, и на применение спрея нет времени, можно придать им пышность стайлером. Большинство женщин использует щипцы гофре для прикорневого объема. Верхние пряди необходимо собрать на макушке и зафиксировать. Под ними следует обработать локоны стайлером с выбранной насадкой. Чтобы прикорневой объем волос держался долго, лучше взять самую мелкую «волну». Достичь максимальной пышности легко, если при гофрировании прядей держать их перпендикулярно голове. Обработанные волосы прикрываются верхними прямыми локонами. Благодаря этому гофре не заметят окружающие.

Утюжок для прикорневого объема

Иногда в комплекте стайлера отсутствуют какие-либо насадки, но даже без них можно придать волосам пышность. Чтобы добавить прикорневой объем, нужно вытянуть локон вверх и прогреть его утюжком прямо у основания. Обработка всех прядей таким способом помогает сделать их визуально гуще и плотнее. Для увеличения «срока службы» данной укладки желательно нанести на прическу лак с сильной фиксацией.

Прикорневой объем волос в домашних условиях

Каждый день ходить в салон ради придания локонам пышности чересчур накладно. Визиты отнимают много времени, поэтому женщины освоили методы, как сделать объем у корней волос самостоятельно. С указанной целью используются:

• косметические средства для укладки;
• начес;
• сушка феном;
• поднятие прядей у основания стайлерами;
• бигуди;
• коклюшки и другие приспособления.

Как высушить волосы с объемом у корней?

Любое термическое воздействие уже придаст прядям больше пышности. Самый простой вариант, как сделать прикорневой объем без стайлера, гофре и аналогичных аксессуаров – правильная укладка феном. Чтобы приподнять локоны, необходимо сушить их на максимальной мощности и температуре, опустив голову вниз и направляя поток горячего воздуха от основания к концам.

Аналогично выраженный прикорневой объем волос достигается, если использовать большую круглую расческу. Брашингом легко поднимать пряди у основания и зафиксировать их в нужном положении. У некоторых женщин локоны плохо держат объем и опускаются в течение нескольких часов. В таких случаях парикмахеры советуют обильно сбрызнуть укладку лаком с внутренней стороны.

Прикорневой объем на длинные волосы

Косы ниже плеч часто слишком тяжелые, поэтому остаются пышными недолго. Чтобы придать им устойчивый объем применяются следующие техники:

1. Сушка феном с косметическими средствами. Перед термической обработкой прядей следует нанести на них приподнимающий мусс, пенку, лосьон, пудру или спрей. Сразу после укладки прическа фиксируется лаком.
2. Плойка гофре для прикорневого объема. Обладательницам роскошных локонов ниже плеч следует использовать стайлер не только у основания волос, но и по центральной их части. Такое гофрирование помогает предупредить возникновение эффекта «вороньего гнезда» на голове. Применение обычного утюжка в данной ситуации не подойдет. Спустя некоторое время пряди утратят пышность даже при фиксации лаком.
3. Бигуди, коклюшки. Данные приспособления обеспечивают самый стойкий прикорневой объем длинных волос. Пряди следует накрутить у основания еще влажными и высушить. Для этого можно использовать фен на средней мощности с высокой температурой. Более продолжительный эффект будет при естественном высыхании, например, в течение ночи. Спать с классическими пластиковыми бигуди и деревянными коклюшками неудобно, поэтому женщины предпочитают поролоновые или локсы.
4. Начес. Прикорневой объем волос с помощью описываемой техники тоже держится долго, но его сложно сделать аккуратным и незаметным на длинных косах. Даже если несильно начесать нижние слои прядей, при малейшем дуновении ветра будет заметна спутанность и комки у основания локонов. Парикмахеры рекомендуют пользоваться данным методом только при создании причесок с собранными прядями, плетениями или пучками.

Прикорневой объем на короткие волосы

Обладательницам стрижек выше плеч проще справиться с рассматриваемой задачей. Недлинные локоны легче, поэтому изначально выглядят пышнее и гуще. Как сделать объем у корней коротких волос:

• высушить феном с брашингом;
• гофрировать;
• приподнять пряди у основания утюжком;
• начесать;
• использовать специальную косметику для укладки.

Увеличение объема волос у корней в салоне

Профессионалы предлагают длительные способы увеличения пышности прически, обеспечивающие сохранение желаемого результата на протяжении нескольких месяцев. Явный объем волос у корней помогают создать такие технологии как Boost Up и Fleecing. Это новые процедуры, придающие локонам потрясающую пышность, которая держится от 2-х месяцев до полугода.

Буст Ап для волос

Описываемая методика представляет собой усовершенствованную технику гофрирования прядей у основания. По факту это прикорневая химия для объема волос, дополнительно позволяющая уменьшить их жирность. Суть манипуляции:

• тщательное очищение локонов специальным шампунем;
• накручивание основания прядей на шпильки либо коклюшки;
• обработка волос химическим фиксирующим составом.

В зависимости от производителя используемого раствора он выдерживается на локонах от 10 до 25 минут. После этого пряди моются теплой водой без нанесения шампуня, а шпильки или коклюшки аккуратно снимаются. Результат – мелкие крепкие завитки у основания волос. Влажные локоны следует высушить феном (прохладный или теплый воздух), одновременно выполняя желаемую укладку.

Стилисты после такой процедуры обещают объем волос у корней на 6 месяцев, но есть некоторые нюансы:

1. Буст Ап является химическим способом завивки прядей, поэтому его нельзя выполнять, если они ослабленные, ломкие, недавно подвергались окрашиванию и другим агрессивным методикам укладки.
2. Манипуляция сильно сушит локоны и провоцирует их спутывание. Для сохранения здоровья и красивого внешнего вида волос придется купить качественные ухаживающие средства и постоянно ими пользоваться.
3. Если неправильно подобрать концентрацию или количество активного состава, неверно рассчитать время воздействия, пряди безнадежно испортятся, будут сечься, интенсивно выпадать и ломаться. Важно найти опытного мастера.
4. Завитки не раскручиваются самостоятельно, по мере отрастания волос они просто опускаются вниз. Это создает эффект «ушей пуделя» и выглядит непривлекательно. Чтобы избавиться от гофрированных участков понадобится кератиновое выпрямление локонов.

Флиссинг для волос

Представленная технология придания пышности прически почти идентична описанной выше. Единственное, что отличает флисинг – прикорневой объем создается с помощью начеса, а не накручивания прядей на шпильки и коклюшки. Остальные этапы обработки локонов полностью аналогичны. В результате процедуры основания прядей имеют хаотичные заломы и не выглядят гофрированными.

Флисинг добавляет выраженный прикорневой объем – фото до и после, отзывы женщин подтверждают его эффект. Помимо достоинств, эта методика имеет и недостатки. Манипуляция тоже сушит и повреждает волосы, часто сопровождается их заметным выпадением и ломкостью. Результат держится не слишком долго, максимальный «срок службы» – 2-3 месяца, но уже через 2 недели после флисинга локоны начинают утрачивать объем, особенно при ношении шапки.

12 способов придать прикорневой объём волосам

Современная парикмахерская наука дает разные возможности для достижения большего прикорневого объема. В салоне можно сделать процедуры флисинг, бустап и другие. Можно и в домашних условиях при помощи плойки или гофре.

Салонная процедура

Придание прическе объема в салоне – это отличное решение. Причины, по которым стоит предпочесть поход к опытному мастеру:

• процедуры выполняются профессионалом с учетом множества нюансов той или иной технологии;
• специальные средства, которые применяются парикмахерами, добавляют волосам лоск и возвращают здоровый вид;
• салонные процедуры обладают стойким эффектом и позволяют надолго забыть об укладке, отнимающей немало времени и нервов.

Для придания волосам объема салоны предлагают внушительный ассортимент услуг. Но особую популярность и женскую любовь завоевала процедура Boost Up.

Салонная процедура для придания объема волосам

Невозможно встретить девушку, которая не задумывается о своем внешнем виде хоть на минуту. Как-никак любая из них мечтает выглядеть эффектно, и заставлять прохожих оборачиваться. Хочется быть идеальной по всем фронтам, от идеально накрашенных ресниц до укладки волоска к волоску. И на этом сказочная удача заканчивается, волосы — настолько требовательны, что стилягам приходится приводить не один час над ними из за индивидуальных недостатков, например полное отсутствие объема. Вот и страдают девчонки в погоне за объемными шевелюрами, вкладывают кучу денег в различные маски, пенки, бигуди, чтобы хоть пару часиков поднять свою гладь волос от корня. Как же это утомительно, вот бы сделать одну процедуру и блестать каждый день не прилагая к этому руку каждый день. Хотели? Вот мастера и придумали, встречаем boost up. Выглядит шикарно, требует минимум усилий, стоит ли своих денег? Давайте разберемся.

Специфика Буст ап

Специалисты применяют биозавивку, наполненную активными жизнеобеспечивающими компонентами – цистиаминами. Данный элемент является производной аминокислот кератина и в тоже время это основа волосяной структуры. Вещество при попадании на структуру прядей мгновенно оказывает эффект:

– снижает пористость структуры волос;
– сглаживает неровности.

Для большего результата косметологи смешивают полученную жидкость с экстрактом прополиса – противовоспалительным лечебным элементом. Он оказывает общий оздоровительный эффект на кожу головы.

В состав средства, применяемого для проведения процедуры, не входят химикаты, токсины и красители. Это делает мероприятие безопасным для здоровья и безвредным, так как в его основе только полезные, жизнеобеспечивающие и лечебные компоненты. Однако это относится только к качественным составам, поэтому мастера нужно выбирать особенно тщательно.

Буст Ап или Густ Ап: что это

Boost Up (дословно означает «поднимать вверх») – это процедура создания объема у корней. Технология задумывалась как щадящая альтернатива наращиванию с целью увеличения густоты прядей.

Внимание! Boost Up является авторской методикой. Разработка принадлежит Елене Глинке, мастеру из Санкт-Петербурга. Основатель школы парикмахерского искусства Елена создала совершенную процедуру для прикорневого объема.

Технология основана на биологической завивке. Для этого используются составы с содержанием более 50 % натуральных природных компонентов. Это щадящая прикорневая химия для объема, после которой волосы приподнимаются, выглядят гуще, но при этом остаются абсолютно гладкими. Эффект сохраняется до полугода.

На какие волосы можно делать Boost Up

Процедура подходит не только девушкам с недостаточной густотой волос. Те, кто от природы наделен пышной шевелюрой, часто используют Boost Up как долгосрочную укладку, которая не боится дождя, ветра и головных уборов. Методика допускает использование на прямые длинные и средней длины волосы.

Девушки, чьи локоны склонны к жирности, оценят подсушивающий эффект процедуры. После нее волосы будут дольше оставаться чистыми. Boost Up сочетается с кератином, но с момента его проведения должно пройти не меньше 2 недель.

К сожалению, Boost Up подойдет не всем. Отказаться от желанного объема необходимо в следующих ситуациях:

1. Короткие стрижки. Скорее всего, прикорневой объем на эту длину будет похож на последствия неслабого электрического разряда.
2. Вьющиеся или искусственно выпрямленные волосы.
3. Шевелюра, окрашенная натуральными красителями. Компоненты состава, могут вступить в реакцию с краской, что приведет к негативным последствиям.
4. Сухие и ломкие локоны процедура высушит еще больше. Вместо прикорневого объема есть риск лишиться собственной густоты.

Совет! Чтобы узнать, подходит ли Буст Ап, существует простой тест. После мытья головы нужно взять волос, слегка потянуть его и отпустить. Пружинящая структура допускает создание объема. Если же волос от натяжения порвался, процедура вам не подойдет.

Сколько держится Boost Up

Эффект перманентного объема обычно длится 5–6 месяцев. За это время состав вымывается. Длительность эффекта зависит от частоты мытья головы и от того, насколько быстро растут волосы.

Средства ежедневного ухода никак не влияют на длительность объема. Увлажняющие маски помогут сделать плавный переход при отрастании прядей.

Основы выполнения процедуры

Прикорневой объём создаётся при помощи гофрирования, которое выполняется с некоторой периодичностью. В мокром состоянии завиток заметен, но при расчёсывании и сушке он «выпрямляется». Неровность прядей можно рассмотреть вблизи или почувствовать на ощупь.

В процессе выполнения процедуры по увеличению объёма не используются агрессивные компоненты. Она делается по типу биозавивки, при этом активным веществом является цистиамин.

По сути, это производная аминокислоты, которая входит в состав кератина волоса. За счёт двухфазного состава сохраняется структура волос и поддерживается уровень рН.

Вместо аммиака содержится экстракт прополиса, который не допускает появление раздражения на коже.

Буст ап или густ ап, что это?

Такое эффектное название, сразу раскрывает суть сего действа. Все помнят времена, когда в моде была завивка, тогда ее делали буквально все. Женщины занимали очереди в парикмахерских с утра и проводили в ожидании по несколько часов. Да и на саму процедуру уходила уйма времени. В итоге довольные клиентки обретали пышные шевелюры, которые было необходимо укладывать с помощью бигуди, иначе это были обычные завитушки. Хотя и такой вариант многих устраивал. Кроме этого делали прикорневую завивку, которая аналогична той, о которой мы сейчас говорим. Не зря говорят, все новое — это забытое старое. Так вот, густ ап — знакомая использовался лет так 20 назад, его технологию и составы оформили на современный мотив и снова запустили в салонный оборот услуг. Не стоит пугаться, это действительно красиво к тому же современно во всех смыслах.

Буст ап – это процедура для поднятия волос от корней. Автором этой технологии является мастер из Санкт Петербурга — Елена Глинка. Именно она усовершенствовала эту процедур, чем обрадовала очень многих. Ничего плохого в этом нет, наоборот, почему бы и не дать второй шанс действительно стоящим вещам. Долговременная укладка, которая держится около полгода, звучит очень заманчиво и оправдывает свою популярность.

Выполняется такая процедура исключительно на прикорневой части головы, не включая верхнюю часть локонов. За счет этого вид укладки принимает естественный непринужденный образ.

На длинных волосах:

На какие волосы можно делать Boo stup?

Момент универсальности — она круто смотрится на длинных и коротких волосах. Средства для подъема волос не делают их грубыми или непослушными, наоборот у большинства появляется здоровый блеск как после ламинирования.

Сколько держится Буст ап?

Срок зависит от вашего мастера, если порядок его действий соответствовал технике, состав, который он использует высокого качества, то вы будите довольны от 4 до 6 месяцев. Точно могу заверить, что сталкивались с проблемой высокой влажности на улице, когда прическа с которой провозились пол утра превращалась в «осевший бисквит», так вот эффект пуш апа волос не меняет своего внешнего вида под дождем или воздействием иных факторов. Уверенность в своей безупречности при любых обстоятельствах подкупает согласитесь.

Сколько держится буст ап?

Эффект сохраняется на продолжительное время. В среднем он заметен 5-6 месяцев. В течение этого периода состав постепенно вымывается из волос. Точное время, на которое хватит процедуры, зависит от индивидуальной скорости роста волос и частоты их мытья.

Средства для ежедневного ухода не воздействуют на продолжительность сохранения объема. С помощью увлажняющих масок можно сделать плавный переход при отрастании волос.

Буффант и Бустап в чем отличие?

• Результат техники Буффант держится 4 недели, а процедуры Буст ап пол года. Хороший аргумент.
• Длительность процедуры Буффант- 2 часа, но состава уходит намного больше. Буст ап выполняется 5 часов, а затрат меньше.
• Буффант выполняется с помощью начеса, Буст ап посредством завивки. Что для вас более приемлемо решайте самостоятельно.
• Обе техники проделываются с учетом длины и типа волос. Короткие волосы лучше не подвергать обоим процедурам. Результат может огорчить.

Выполнение техники Буффант:

• Сначала проводится очищение волос, для выполнения которого нужен специальный шампунь. Делается это для того, чтобы избавить кожу головы от жирности и повысить действие состава для закрепления завивки.
• Корни начесываются. Так же не очень хорошо влияет на состояние волос. Такое агрессивное обращение с волосами повреждает их и вырывает. Задумайтесь, в домашних условиях девушки начесывают буквально несколько прядей и максимально мягко, а при технике Буффанте необходимо уделить время всем локонам кроме затылка.
• Далее подготовленные пряди укладывают на бигуди.
• После наносится состав.
• Все смывается водой.
• Начесанные участки расчесывают. Что может быть достаточно больно.

Уж больно похожие процедуры, в выборе действительно можно запутаться. Кстати, противопоказания у них тоже почти одинаковые.

Можно ли делать Буст ап беременным?

Данная укладка подходит большинству представительницам прекрасного пола. Особенно порадует результат процедуры обладательниц тонких волос. Только представьте, ваши слабые волосы, постоянно прилипающие к голове, которых вы так стыдились, приобретают пышноту. Должно быть, восторгу нет предела. Все прекрасно, но если вы с положении, это не для вас.

Противопоказания беременным:

• Не рекомендуется беременным и кормящим грудью. Дело в компонентах, которые содержат составы. они могут быть сглажены приятным ароматом средства, но девушкам в ожидании ребенка все равно не следует ими дышать.
• Сделав процедуру во время менструации, результат может быть непредсказуемым из за игры гормонов.

Любительницам идеально ровных волос необходимо знать, что завитая часть волос хоть и немного, но видна. Потому, чтобы после не предъявлять претензии мастеру, несколько раз все обдумайте. Зачем портить настроение себе и другим?

Возможно ли сделать долговременный прикорневой объем дома

Многих девушек интересует, как сделать прикорневой объем дома. Есть много вариантов придания волосам пышности и гладкости в домашних условиях. Однако, ни о каком долговременном эффекте домашнего «Буст Ап» не может быть и речи. Причины:

• процедуру может выполнить только обученный мастер;
• профессиональные средства, которыми покрывают волосы для достижения длительного результата, не найти в свободной продаже.

Как ухаживать заволосами после того как сделали Буст ап, чтобы они выглядели красиво долгое время?

Получив достойный результат, конечно же хочется как можно дольше его сохранить. И это вполне реально. Сложно ухода не требуется, только придерживаться нескольких правил и рекомендаций:

• Первые три дня после похода в салон не желательно мыть голову.
• Следует использовать щадящие маски и шампуни без силикона.
• Как и к другим видам завивки не приемлемы окрашивания хной и басмой. Остальные возможные способы покраски имеют место быть.
• Разрешается применять различные средства для укладки, никаких ограничений нет.
• Расчесывать волосы нужно аккуратно, чтобы не запутывать.

Как убрать Boostup?

Что делать, если долговременный прикорневой объем волос надоел? Так сказать, попробовала, порадовалась, надоело.

В таком случае неизбежно применение специального состава для выпрямления волос после технки Буст ап. Профессиональное средство от Японских и Германских производителей не наносит вреда локонам, а наоборот способствует их восстановлению и реконструкции к исходному виду. Состав может быть применен на любых волосах и даже окрашенных.

В заключение хочется сказать, что стараться выглядеть хорошо замечательно, но не стоит пробовать все и сразу. Множество процедур и новых техник отрицательно скажутся на ваших локонах, а здоровы естественные волосы всегда будут в моде.

Старайтесь экспериментировать минимально или же выбирайте что-то менее вредное, например стрижки и окрашивания. Поверьте, они в достаточной степени подчеркнут вашу индивидуальность и оригинальность. Самое главное отыщите и берегите парикмахера, который будет не просто обслуживать вас, а ухаживать за вашими волосами, давать дельные советы, а не рекламировать бесполезные ценовые услуги.

Знаменитости, которые делали BOOST UP фото:

Джессика Альба

Дженнифер Лопез

Сальма Хайек

Ксюша Бородина

Бейонс

Отзывы о процедуре

Буст ап для волос, создавая прикорневой объём, позволяет на 4–6 месяцев забыть о ежедневных укладках. Разумеется, желаемый эффект даст только процедура, проведённая грамотным специалистом, использующим качественный состав и соблюдающим технологию. Есть и отдельные нюансы в дальнейшем уходе за шевелюрой, с которыми нужно ознакомиться заранее.

• Автор: Юлия Голова
• Распечатать

27 лет, высшее юридическое образование, широкий кругозор и интерес к самым разным темам.
Оцените статью:

(0 голосов, среднее: 0 из 5)

Статьи по теме

Когда говорят про ботокс, обычно подразумевают знакомые всем и …

Плазмолифтинг относится к регенерационной медицине и активно …

Ломкие и тусклые волосы, их выпадение и медленный рост, постоянное …

Долговременный объем волос Буст ап – отзывы

Девушки из нашей группы на себе испытали действие долговременного объема и делятся своими отзывами:

Я делала процедуру Буффант, очень понравилось! первый раз делали более легким составом, объем был не большой держался примерно 2 мес. Второй раз делали обычным составом, объем получился больше, но после него недели две сильно выпадали волосы. Я думаю это не из-за состава, а от того, как проводится сама процедура (делается начес, потом все это распутывается, корни у меня слабые, и вот от воздействия, то что тянули волосы, они выпали) Но все равно эффектом очень довольна, волосы у меня тонкие и объема не было никогда, плюс приходилось мыть голову через день, а сейчас встала с утра и отличная прическа) Мою голову раз в 4 дня примерно. Сами волосы не испортились, не обламываются, стали немного суше, корни обязательно нужно увлажнять бальзамом или масками, жирнеть они не будут. Надежда Васина

Девочки, если собираетесь делать подобные процедуры выбирайте мастера для волос тщательно!!! Это самое главное, я попала к неопытному мастеру, в итоге она мне испортила волосы, они начали обламываться у корней, объем был неравномерный, жутко выпадали. После этого еще год восстанавливала волосы. Уверена, что проблема именно в мастере, так как сестра тоже делала прикорневой объем и у нее было все прекрасно, волосы не испортился и был прекрасный объем!Алина Соломатина

У меня тонкие волосы, буффант стал просто спасением! Долго решалась делать или нет, искала хорошего мастера, в итоге сделала и не пожалела, с утра не нужно делать манипуляций, встаешь и сразу шикарная укладка, голову можно мыть раз в 3-4 дня а не как раньше каждый день, так как корни немного подсушились. Делаю процедуру раз в пол года, сделала уже 3 раз, уже не представляю себя без объема.Юлия Зотова

Не так давно сделала буст ап, не скажу что не довольна, но и эффекта ожидала большего, волос у меня очень тяжелый и густой, возможно поэтому не получилось львиной гривы:) Валентина Маркина

Мне тоже очень нравится Буст ап, девочки правильно заметили, что главное – это выбор мастера, не ищите где дешевле! Не экономьте на своем здоровье и красоте, я пока что сделала буст ап в первый раз, до сих пор не могу привыкнуть, что с утра у меня готовая прическа:) Окружающие заметили изменения, подруги в восторге, пока что волосы не выпадают не ломаются, буду следить за состоянием дальше. Периодически наношу маску на корни, чтобы сильно не сохли и не путались. Единственное, что иногда видно пряди гофрешки, в следующий раз планирую попробовать буффант.Мария Березовская

Видео отзывы о долговременном объеме

[media=https://www.youtube.com/watch?v=cotPWuzw29o]

Boost Up – это модное веяние в индустрии красоты, которое помогает девушкам позабыть на некоторое время о ежедневных и мучительных укладках создав на голове аккуратный объем. Процедура универсальна и безопасна, потому количество ее проведений не ограничено возрастными, физическими особенностями.

Кира ВолосковаРедактор Voloskova.ru, знает все о росте волос

3 мин

Народные средства

Тем девушкам, которые стремятся к заветному объему, но не желают прибегать к салонной химии, можно обратить внимание на народные средства. Некоторые из них оказываются очень действенными.

Дрожжевая маска

Дрожжевая маска с кефиром богата витаминами и приподнимает у корней даже самые тонкие волосы. Состав полезен и для их роста. Ингредиенты просты и доступны.

Приготовление маски:

1. 0,5 стакана кефира подогреть до теплого состояния.
2. 20 г дрожжей добавить в кефир и оставить смесь на 7–10 минут до образования «шапочки».
3. Нанести состав на кожу головы и волосы у корней, покрыть целлофаном.
4. Маску держать 30–40 минут, затем смыть и позволить волосам высохнуть естественным путем.

Желатиновая маска

Для желатиновой маски потребуется всего 3 компонента:

• 15 г желатина;
• лимонная кислота на кончике ножа;
• 1 желток.

Желатин, смешанный с 2 ст. л. холодной воды распустить на водяной бане, всыпать кислоту. Дать немного остыть. В массу ввести желток и тщательно перемешать.

Маску нанести на волосы, уделяя особое внимание прикорневой зоне. Укутать голову целлофаном и полотенцем. Держать 20–30 минут, после чего смыть прохладной водой. Такая маска создаст прикорневой объем и удивит эффектом ламинирования.

Видео о буст апе для волос

О преимуществах и недостатках метода:

Что такое долговременный прикорневой объём волос. Какие виды сейчас популярны | Наталья Кононова

Меня часто спрашивают про долговременный прикорневой объём, как его делают, вреден ли для волос и так далее. В данной публикации расскажу про самые популярные его виды и техники выполнения.

Любые варианты стрижек подходят для создания долговременного прикорневого объёма.

На сегодняшний день популярны следующие виды прикорневого объёма: Буффант, Буст ап, Флисинг.

— Буффант — на мой взгляд, самая щадящая и незаметно отрастающая прикорневая зона. Не имеет заломов и гофрированного рисунка. Подходит для укороченных стрижек и не тяжелых волос.

Мастер выделит тонкие пряди и максимально близко к коже головы создаст микроначёс, затем под него подложит бигуди-липучки. Таким образом, прядь за прядью проработает всю необходимую зону.

Напомню, что прикорневой объём не обязательно делать на всех секциях головы. Возможно сделать там, где его не хватает, например, на макушке. 

На оставшиеся свободные пряди, мастер нанесёт защитную маску, чтобы на них не попал состав, а прикорневую зону обработает химическим средством. По истечении времени, препарат смывается и наносится следующий.

Любые варианты стрижек подходят для создания долговременного прикорневого объёма.

— Буст ап. Эта процедура более продолжительная и немного болезненная, потому что в процессе работы мастер, выделяя тонкие прядки, натягивает и накручивает их прикорневую зону на шпильки методом «восьмёрки», бывает и дёргает.

Данный метод подходит длинным волосам и массивным, удлинённым стрижкам. Отрастает заметно. 

Как бы ни хвалили мастера данную технику, но я отношусь к ней не совсем хорошо, так как создает женщинам некоторые проблемы во время отрастания и мешает сконструировать стрижку.

Любые варианты стрижек подходят для создания долговременного прикорневого объёма.

— Флисинг. Данная техника выполняется с помощью начёса, но без «подложки» бигуди-липучек. Чтобы зафиксировать начёс в прикорневой зоне, используется фольга. На оставшиеся свободные пряди волос, также наносится защитная маска, как и в остальных техниках.

Флисинг отрастает плавно, подходит тонким волосам.

Существует ещё одна техника. Когда мастер вместо начёса, либо шпилек использует бигуди-гофре. 

Подходит для частичного создания прикорневого объёма для длинных волос и массивных стрижек. Рисунок гофре будут скрывать верхние пряди.

После процедуры, не рекомендуется мыть голову в течении 48 часов, а также мочить водой и даже попадать под дождь.

Противопоказания:

Любые проблемы с кожей головы, приём антибиотиков, гормональных препаратов, аллергические реакции, давление, проблемы со здоровьем, связанные с наличием гормонального дисбаланса в организме.

Благодарю за чтение.

Прикорневой объем волос | ZAYA

Все представительницы прекрасного пола мечтают о красивых, здоровых и пышных волосах. Однако в современных условиях с регулярным использованием фенов и утюжков, а также со стрессами и экологией тяжело добиться идеального состояния локонов. Конечно, «сложно» вовсе не означает «невозможно». И при правильном подходе, а главное используя качественные средства по уходу за волосами, вы легко сможете создать красивый и элегантный прикорневой объем.

Виды прикорневого объема

Многих представительниц прекрасного пола интересует, как сделать прикорневой объем волос. Настоящие мастера знают сразу несколько ответов. При помощи приборов и специальных средств им удается зафиксировать совершенный высокий объем, который при этом не повредит структуру локонов и продержится как можно дольше. Сегодня выделяется несколько техник:

Буст ап

Инновационная техника укладки волос, которая позволяет получить красивый прикорневой объем. Секрет процедуры заключается в использовании небольших шпилек, на которые накручиваются отдельные пряди. Причем пряди берутся максимально тонкие – именно это позволяет добиться такого результата.

Преимуществом данной процедуры является то, что для нее используется не вся длина локонов, а только отдельная часть. При этом мастерам удается добиться результата, который продержится от трех до шести месяцев, несмотря на ношение шапки и мытье волос.

Считается, что буст ап – одна из разновидностей химической завивки. Да, здесь на самом деле используются химические вещества, однако современная технология позволяет добиться максимально безвредного для локонов состава. Да и наносится средство только на определенную часть волос.

Volume

Еще один способ добиться красивого прикорневого объема, который идеально подходит для локонов, склонных к жирности. Его категорически не рекомендуют использовать женщинам, страдающих от пересушенных и ослабленных волос.

Здесь также присутствует химическое воздействие, поэтому необходимо сразу подобрать для волос уходовые средства.

Использование утюжка

Может использоваться на ежедневной основе в домашних условиях. Утюжки со специальной насадкой позволяют добиться красивого объема, который, впрочем, продержится недолго и сойдет уже на следующий день. Главное – правильно выбрать температуру. Слишком высокий показатель может травмировать или даже разрушить волос.

Насколько вредны данные процедуры?

Любая укладка волос, которая держится более 5 месяцев, может наносить вред структуре локонов. И перечисленные выше процедуры не являются исключением. Использование химических средств или горячих утюжков разрушает волосы изнутри и может привести к ломкости и выпадению.

К счастью, сегодня можно восстановить здоровье локонов, используя профессиональные средства для волос. Одной из таких процедур является кератиновое выпрямление. Специальные средства на основе кератина с добавлением эфирных масел и витаминов не только выравнивают волосы, но и восстанавливают их изнутри, придают гладкость, силу из живой блеск.

Корневые волосы

ВВЕДЕНИЕ

Корневые волоски представляют собой длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня. У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр примерно 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (рис. 1). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Hofer, 1991).

Корневые волоски арабидопсиса привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они предоставляют многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии (Schiefelbein and Somerville, 1990).Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды. Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков.Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, выращенных на определенных средах в чашках Петри (рис. 2). Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, организованных в файлы, исходящие из кончика корня (рис. 3). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

Рис. 1.

Микрофотография корневой волосковой клетки, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Волосы, производимые этой клеткой, составляют примерно 1/3 конечной длины.

Рисунок 2.

Развитие проростков Arabidopsis, выращенных на питательной среде, отвержденной агарозой, в вертикально ориентированных чашках Петри. Корни растут вдоль поверхности среды, и корневые волоски легко визуализируются с помощью микроскопа с малым увеличением.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса.Особое внимание уделяется недавним открытиям с использованием молекулярной генетики для изучения развития корневых волосков. Опубликованы недавние обзоры, в которых подчеркиваются различные аспекты корневых волосков Arabidopsis (Ishida et al., 2008; Schiefelbein et al., 2009; Tominaga-Wada et al., 2011; Benitez et al., 2011; Ryu et al., 2013). .

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРНЕВЫХ КЛЕТОК ВОЛОС

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки).Таким образом, первый шаг в развитии корневых волосков — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, которая будет дифференцироваться как корневая волосковая клетка, а не как неволосковая клетка. Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня арабидопсиса образуется из набора из 16 исходных (стволовых) клеток, которые образуются в процессе эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Баум и Рост, 1996; см. также главу о корневом развитии в этой книге). Эти инициалы называются инициалами крышки корня эпидермального / бокового корня, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же самом файле (Baum and Rost, 1996; Бергер и др., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность вызывает наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток в корне проростков от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Рисунок 3.

Фотография кончика корня, показывающая прогрессивное развитие корневых волосковых клеток.

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; 1949; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Голуэй и др., 1994). Корневые волосковые клетки присутствуют вне межклеточного пространства между двумя нижележащими кортикальными клетками (т. Е. Расположены за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, называемой положением «H»), тогда как неволосковые клетки присутствуют над одной кортикальной клеткой (т.е.е., расположенный за пределами периклинальной стенки кортикальных клеток, называемый положением «N») (рис. 4). Поскольку первичный корень Arabidopsis постоянно содержит восемь файлов кортикальных клеток, существует восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Galway et al., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Исключение из этого паттерна существует около соединения корень-гипокотиль, в области, содержащей 3-7 ярусов клеток, называемой цангой (Parsons, 2009). Здесь каждая эпидермальная клетка образует удлинение, подобное корневому волоску, во время раннего роста проростков (Scheres et al., 1994; Lin and Schiefelbein, 2007; Sliwinska et al., 2012). В соответствии с этим исключительным паттерном гены, которые определяют неволосую судьбу, не активны в этой области (Lin and Schiefelbein, 2007). Интересно, что эта область отличается от остальной части корня наличием второго (неполного) слоя корковых клеток (Lin and Schiefelbein, 2007) из-за перехода от клеточной анатомии гипокотиля (два кортикальных слоя) к корню (один корковый слой).Более того, корневые волоски в цанге возникают синхронно, а не прогрессивное образование корневых волосков внутри клеточных файлов на верхушке корня (Sliwinska et al., 2012).

Рис. 4.

Поперечный срез корня арабидопсиса, показывающий зависящий от положения паттерн волосковых клеток и неволосковых клеток. Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток).На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Информация о характере клеточного паттерна

Информация, которая управляет зависимым от положения паттерном эпидермальных клеток, предоставляется на ранней стадии развития эпидермиса, поскольку незрелые эпидермальные клетки, предназначенные для превращения в клетки корневых волосков (трихобласты), можно отличить от незрелых неволосковые клетки (атрихобласты) до отрастания волос.В частности, дифференцирующиеся клетки корневых волосков демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкой скоростью вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальным орнаментом клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельными эпитопами клеточной стенки (Freshour et al. , 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2: At1g79840 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (рис. 5). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что подразумевает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих исходных клетках и / или их непосредственных дочерей (Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998a).

Присутствие дифференциальной экспрессии генов в ранней меристеме привело к возможности, что паттерн эпидермальных клеток может быть инициирован во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (Рисунок 6). GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров экспрессия обнаруживается в зависимом от положения эпидермальном паттерне, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевого корня и действует для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к соответствующей дифференцировке постэмбрионального типа клеток.

Рисунок 5.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня.

(A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм.

(B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Чтобы определить, предоставляется ли позиционная информация также эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали гены-маркеры и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (рис. 7). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждой из этих серий экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Рис. 6.

Эмбриональная экспрессия репортерного слияния GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций удаляли специфические кортикальные клетки линии J2301 таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Спецификация молекулярной генетики корневых волосковых клеток

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (в дополнительной таблице 1 (табл.0172-table-1.docx); Рисунок 8). Мутации в WEREWOLF (WER: At5g14750), TRANSPARENT TESTA GLABRA (TTG: At5g24520), GLABRA3 (GL3: At5g41315) / ENHANCER OF GLABRA3 (EGL3: At1g63650), в генах и на каждом корне образуют GL2 волос. корневых эпидермальных клеток, что подразумевает, что нормальная роль WER, TTG, GL3 / EGL3, и GL2 заключается в стимулировании дифференцировки неволосовых клеток и / или подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina и другие., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбейн, 1999; Bernhardt et al., 2003). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; например, мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть более ранними (и более широко) действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Рисунок 7.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2 . Бар = 10 мкм.

Рис. 8.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов по спецификации клеток.

(A) Дикого типа.

(B) Пример мутанта эктопических волос ( wer ).

(C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc). Bar = 500 мкм для всех изображений.

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999). Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана в мутанте wer .Помимо ДНК-связывающих доменов MYB, белок WER обладает участком, взаимодействующим с фосфатидной кислотой (PA), участвующим в ядерной локализации (Yao et al., 2013). В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихомов, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов. Близкородственный ген MYB23 ( At5g40330 ) кодирует белок с биохимической функцией, аналогичной WER, и он проявляет специфичную для N-клеток экспрессию, которая зависит от WER, GL3 / EGL3 и TTG (Kang et al. ., 2009).

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания его роли, TTG способен физически взаимодействовать с основными активаторами транскрипции «спираль-петля-спираль» (bHLH) GL3 и EGL3, которые действуют частично функционально избыточным образом (Bernhardt et al. 2003 г.). GL3 и EGL3 также физически взаимодействуют с WER (Bernhardt et al., 2003; Song et al., 2011), это означает, что трехчастный комплекс факторов транскрипции ответственен за управление судьбой неволосковых клеток.

Ген GL2 кодирует белок гомеодоменного фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он преимущественно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематической и удлиненной областях корень (Masucci et al., 1996; рисунок 5). Как описано выше, экспрессия GL2 и инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001).Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER, GL3 / EGL3, и TTG ; Мутации wer почти отменяют активность промотора GL2 , в то время как мутации ttg и gl3 egl3 снижают активность промотора GL2 (Hung et al., 1998; Lee and Schiefelbein, 1999; Lin and Schiefelbein, 2001; Bernhardt et al. др., 2003). Поскольку соответствующая клеточная зависимая от положения экспрессия GL2 присутствует в мутантах ttg и gl3 egl3 , но не в мутанте wer , это означает, что WER является наиболее важным для передачи позиционной информации для экспрессии GL2 .Взятые вместе, текущая точка зрения состоит в том, что белки WER, TTG и GL3 / EGL3 действуют в составе транскрипционного комплекса на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в зависящий от положения ячейки способ, чтобы указать неволосковый тип клеток.

Другой ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC: At2g46410 ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc производит уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является положительным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc, , что предполагает, что CPC действует в пути WER / TTG / GL3 / EGL3 / GL2 как негативный регулятор GL2. Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с одним повтором R3 Myb с bHLH- и ДНК-связывающими доменами, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). В соответствии с этой структурой, CPC, по-видимому, ингибирует функцию комплекса WER-GL3 / EGL3-TTG, препятствуя связыванию WER с GL3 / EGL3 конкурентным образом (Lee and Schiefelbein, 2002; Tominaga et al., 2007; Song et al., др., 2011; Канг и др., 2013). Интересно, что CPC способен перемещаться от клетки к клетке в развивающемся корне, что позволяет ему действовать как сигнальная молекула для репрессии спецификации судьбы неволосковых клеток в соседних H-клетках (Kurata et al., 2005; Kang et al. , 2013).Предполагается, что его преимущественное накопление в H-клетках связано с захватом белка CPC с помощью EGL3 (Kang et al., 2013). Поскольку транскрипция CPC положительно регулируется комплексом WER-GL3 / EGL3-TTG, его негативный эффект на действие этого комплекса представляет собой межклеточную петлю отрицательной обратной связи (Ryu et al., 2005). В дополнение к CPC, несколько родственных белков R3 Myb, как было показано, действуют частично избыточным образом, в том числе те, которые кодируются TRIPTYCHON ( TRY: At5g53200 ) и ENHANCER OF TRY AND CPC1 ( At1g01380 ) (Schellman и другие., 2002; Кирик и др., 2004; Саймон и др., 2007; Серна, 2008; Wang et al., 2010).

Другая петля обратной связи транскрипции влияет на экспрессию генов GL3 и EGL3 . Хотя белковые слияния GL3 накапливаются в N-клеточном положении, гены GL3 и EGL3 предпочтительно транскрибируются в H-клеточном положении из-за негативной регуляции комплексом WER-GL3 / EGL3-TTG (Bernhardt et al. , 2005). Это означает, что подобно белкам семейства CPC, белки GL3 и EGL3 bHLH могут также перемещаться через плазмодесмы; хотя в этом случае от H до N ячеек.Основываясь на математическом моделировании, эти взаимосвязанные межклеточные петли обратной связи, как было предположено, обеспечивают стабильность и надежность для установления паттерна клеточного типа (Savage et al. 2008).

Ген SCRAMBLED ( SCM: At1g11130 ) отличается от предыдущих генов, поскольку его мутантный фенотип не устраняет один из типов эпидермальных клеток, а просто изменяет распределение корневых волосковых и неволосковых клеток (Kwak et al, 2005). SCM кодирует киназу, подобную рецептору с богатым лейцином повтора (LRR-RLK), которая, по-видимому, позволяет эпидермальным клеткам воспринимать свое относительное положение клеток (Kwak et al, 2005), и в результате они достигают различных паттернов экспрессии генов. и усыновить соответствующие судьбы.Интересно, что ген SCM сам находится под регуляцией транскрипционной обратной связи комплекса WER-GL3 / EGL3-TTG, поскольку клетки в N-положении демонстрируют комплексно-зависимое снижение накопления SCM по сравнению с клетками в H-положении (Kwak and Schiefelbein , 2008). Эта отрицательная регуляторная петля может служить для усиления передачи сигналов SCM в клетках H-позиции.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 2002; Figure 9).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих наборов факторов транскрипции, белков R2R3 WER и MYB23 по сравнению с одноповторными Mybs CPC, TRY и ETC1. Они способны образовывать активный или неактивный комплекс, соответственно, с белками TTG и GL3 / EGL3. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в положении N присутствует относительно высокий уровень WER, что приводит преимущественно к образованию активного комплекса, экспрессии GL2 (и, вероятно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток. .С другой стороны, предполагается, что незрелые эпидермальные клетки, расположенные в положении H, накапливают относительно высокий уровень CPC, что приводит к неактивным комплексам, репрессии GL2, и дифференцировке волосковых клеток. Предполагается, что рецептор SCM опосредует эффекты сигнала положения и инициирует дифференциальное накопление регуляторов WER и CPC. Считается, что нисходящие петли обратной связи, включая отрицательный эффект CPC и положительную регуляцию с помощью MYB23, стабилизируют и усиливают начальную асимметрию в паттернах экспрессии генов.

Рис. 9.

Модель для спецификации корневых волосков и неволосовых типов клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть корневыми волосковыми клетками (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N). В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, тупые линии указывают на отрицательную регуляцию, а пунктирные линии указывают на межклеточное или внутриклеточное перемещение белков.Эффекты на нижестоящие гены модифицированы из Bruex et al., 2012.

В дополнение к генам, описанным выше, другие локусы были определены с помощью мутаций, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся гены ROOTHAIRLESS ( RHL ) RHL1 (At1g48380), RHL2 (At5g02820), и RHL3 (At3g20780), и ECTOPIC ROOT HAIR (генов 3 ERH240g) , ERh3 / POM1 ( At1g05850 ) и ERh4 (At1g80350) (Schneider et al., 1997), а также гены TORNADO ( TRN ) TRN1 / LOP1 ( At5g55540 ) и TRN2 / TET1 (At5g46700) (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Три гена RHL кодируют компоненты комплекса ДНК топоизомеразы VI и участвуют в эндоредупликации (Guimil and Dunand, 2006).RHL1 локализован в ядре, но он не регулирует GL2 , это указывает на то, что он действует в независимом генетическом пути, который необходим для судьбы волосковых клеток (Schneider et al., 1998, Sugimoto-Shirasu et al. 2005).

Идентифицировано только несколько генов / белков, которые, вероятно, действуют выше транскрипционных факторов, которые определяют судьбу эпидермальных клеток. К ним относятся ген, влияющий на ацетилирование гистонов, HISTONE DEACETYLASE18 ( HDA18 : At5g61070 ).Мутации в HDA18 или обработка трихостатином А (ингибитор гистоновой деацетилазы) заставляют клетки в N-положении дифференцироваться как клетки корневых волосков (Xu et al., 2005), подразумевая, что эпигенетические факторы также влияют на судьбу эпидермальных клеток (Guimil and Dunand, 2006 г.). Мутации в гене JACKDAW ( JKD: At5g03150 ), кодирующем предполагаемый фактор транскрипции цинкового пальца, вызывают множественные дефекты формирования паттерна в корне арабидопсиса, включая аномальное расположение типов волосяных и неволосых клеток (Hassan et al., 2010). JKD, вероятно, действует косвенно, влияя на дифференциальную экспрессию транскрипционных регуляторов формирования эпидермального паттерна.

Транскрипционный регуляторный комплекс WER-GL3 / EGL3-TTG, описанный в этом разделе, влияет на экспрессию или активность многих нижестоящих генов / белков, которые контролируют дифференцировку корневых или неволосовых клеток. Широкомасштабная идентификация нижестоящих генов была проведена с использованием нескольких стратегий профилирования транскриптов на основе микрочипов, включая подход мутантного морфогенеза, который идентифицировал гены, дифференциально экспрессируемые в мутанте rhd2 vs.дикого типа (Jones et al., 2006), подход, основанный на цис-элементах, сосредоточенный на предполагаемом элементе, специфичном для корневых волосков (Won et al., 2009), и подходах к сортировке клеток для выявления генов, преимущественно экспрессируемых в клетках корневых волосков и неволосковые клетки (Brady et al., 2007) или гены, которые демонстрируют дифференциальное накопление транскриптов в мутантах hairy ttg, wer myb23, и gl3 egl3 по сравнению с бесшерстным двойным мутантом cpc try (Bruex et al. ., 2012).

Вычислительное моделирование формирования эпидермального паттерна корня

Недавние достижения в области вычислительной мощности и программного обеспечения привлекли исследователей к применению компьютерного моделирования к системе формирования эпидермального паттерна Arabidopsis.До сих пор усилия были сосредоточены на моделировании накопления центрального транскрипционного комплекса, в значительной степени основанного на классических механизмах «реакция-диффузия», описанных Turing и др. (Turing, 1952). Эти исследования показали, что простые правила, включая локальное самоусиление и долгосрочное ингибирование, могут генерировать различные паттерны экспрессии генов в поле клеток, которые имитируют наблюдаемый паттерн эпидермиса корня (Benitez et al., 2007; Savage et al. , 2008).

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между клеточной спецификацией в корне и в надземных органах растения Arabidopsis.Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя гипокотиль не производит корневых волосков, есть два отдельных файла эпидермальных клеток в гипокотиле Arabidopsis, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998). ; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной стенки кортикальных клеток, что эквивалентно положению Н-клеток в эпидермисе корня.Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня подвергаются аналогичной позиционно-зависимой клеточной дифференцировке, чтобы генерировать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах.Мутанты wer, ttg, и gl2 демонстрируют изменения в формировании паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных за пределами периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. ., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999), тогда как мутанты cpc и try снижают образование устьиц (Serna, 2008). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER, GL2, и J2301 предпочтительно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999) (рисунок 10). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / CPC / TRY / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне. и неустьичные клетки в эпидермисе гипокотиля.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG, GL3 / EGL3, CPC / TRY и GL2 также влияют на образование трихом в эпидермисе побегов Arabidopsis (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Ларкин и др., 1997; Кирик и др., 2004; см. Также главу о трихомах в этой книге). Кроме того, паттерны экспрессии генов предполагают, что белок WRKY, кодируемый TRANSPARENT TESTA GLABRA2 ( TTG2 ; At2g37260 ), действует как в спецификации трихомных, так и некорневых волосковых клеток (Johnson et al., 2002; Исида и др., 2007; Саймон и др., 2013). Интересно, что эпидермис побега и корня использует функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GLABROUS1 ( GLT. At3g27920 ) (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001). Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом.Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки TTG, CPC / TRY, GL3 / EGL3 и GL2 противоположным образом контролируют формирование эпидермальных волос в корне и на листе. Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Возможно, эти белки являются частью эпидермальной транскрипционной кассеты, которая была задействована для участия в обоих механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Рисунок 10.

Экспрессия репортера слияния GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS , расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что ауксин и этилен способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток арабидопсиса. Например, обработка корней проростков арабидопсиса 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислотой (АСС, предшественник этилена) индуцирует эктопические корневые волосковые клетки (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1: At5g03730 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, которая, как предполагается, негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993), также приводит к некоторым эктопическим корням. образование волос (Dolan et al., 1994; Ikeda et al., 2009). В соответствии с этим, клетки эпидермиса в положении H более чувствительны к индуцирующему волосы эффекту этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня проявляется мутациями в AUXIN RESISTANT2 ( AXR2: At3g23050 ; устойчивость к ауксину, этилену и абсцизовой кислоте) и AUXIN RESISTANT3 ( AXR3: At1g04250 ; устойчивость к генам и этилену) ауксин в образовании корневых волосков (Mizra et al., 1984; Wilson et al., 1990; Leyser et al. 1996). Кроме того, мутации в гене ROOT HAIR DEFECTIVE 6 ( RHD6: At1g66470 ) bHLH (Menand et al., 2007), которые вызывают фенотип безволосых корней, могут быть подавлены включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в питательную среду (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны влияют на дифференцировку корневых волосковых клеток, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотора-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не оказывает значительного влияния на путь WER / TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что пути этилена и ауксина способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Мутации в генах AXR2 и RHD6 уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены помогают в раннем установлении идентичности клеток. Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня.

Помимо ауксина и этилена, на развитие корневых волосков влияют и другие гормоны растений. Добавление брассинолида и мутаций bri1 и вызывает противоположные изменения в экспрессии регуляторов судьбы клеток и в структуре корневых волосков, указывая тем самым, что брассиностероиды действуют на ранней стадии, способствуя судьбе волосковых клеток (Kuppusamy et al., 2009). Кроме того, синтетический стриголактон GR24 увеличивает длину корневых волосков, возможно, препятствуя росту клеток, регулируемых ауксином, что предполагает роль стриголактона на более поздних стадиях образования корневых волосков (Kapulnik et al., 2011). Наконец, применение жасмоновой кислоты способствовало росту корневых волосков дозозависимым образом, что может потребовать взаимодействия с путями этилена и ауксина (Zhu et al., 2006).

Одно из общих выводов исследования гормонов состоит в том, что новообразованные эпидермальные клетки в корне арабидопсиса могут быть первоначально определены как трихобласты или атрихобласты (из-за зависимого от положения клетки действия внутреннего WER / TTG / GL2 / Путь CPC), но на окончательную дифференцировку / структуру типов эпидермальных клеток могут влиять гормоны (возможно, регулируемые или связанные с действием факторов окружающей среды).

Рисунок 11.

Этапы образования корневых волосков. Корневые волосы образуются в два основных этапа: зарождение, когда небольшая дискообразная область клеточной стенки ослабляется, образуя опухоль, и рост кончика, когда остальная часть волос растет за счет целенаправленной секреции.

КОРНЕВОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛОС

Эпидермальные клетки, которые участвуют в формировании волос, становятся высокоспециализированными и принимают характерную форму. Общий процесс образования волос представлен на рисунке 11.

Инициирование корневых волос

Клетки растений изменяют форму, изменяя свои клеточные стенки.После того, как они образовались в меристеме, клетки эпидермиса, принимающие судьбу корневых волосков, становятся шире, длиннее и глубже за счет диффузного роста. Волосы сами по себе образуются, когда рост клеток локализуется в небольшой дискообразной области обращенной наружу стенки диаметром около 22 мкм. Этот процесс называется зарождением корневых волосков и представлен на Рисунке 12.

Рисунок 12.

Инициирование корневых волосков.

(A) Схема, показывающая процесс инициации. Белок Rop локализуется в месте инициации, и pH клеточной стенки падает примерно до pH 4–4.5. Считается, что это локальное изменение pH активирует белки экспансина, которые ослабляют клеточную стенку. Большое количество эндоплазматического ретикулума и нитчатого (F) актина накапливается в развивающемся отеке

(B) Веревка на месте будущего образования волос. Локализация белка Rop является первым признаком того, что волосы вот-вот начнут формироваться (см. Molendijk et al., 2001).

(C) Подкисление клеточной стенки в месте инициации корневых волосков. pH был отображен с использованием NERF / Texas Red и псевдоцветной кодировки в соответствии со шкалой на врезке (см. Bibikova et al., 1998).

(D) Локальное накопление эндоплазматического ретикулума (ER) в инициирующем волосе, по бокам которого находятся две неволосковые клетки. Красные, синие и зеленые изображения были получены с интервалом 30 секунд. Белый указывает на то, что ER присутствует в одном и том же месте на всех трех изображениях (см. Ridge et al., 1999).

Перед тем, как волосы начинают расти, в месте роста появляются небольшие GTP-связывающие белки из семейства Rop (Molendijk et al., 2001, рис. 12B). Rops уникальны для растений, но связаны с небольшими GTPases (e.грамм. Rac, Cdc42 и Rho), которые контролируют морфогенез клеток животных и дрожжей (Vernoud et al., 2003; Chant, 1999). Недавнее обнаружение того, что цитоплазматический домен рецептороподобной киназы FERONIA ( FER : At3g51550 ) рекрутирует белки Rop, и что потеря FER приводит к дефектному росту корневых волосков, повышает вероятность того, что этот рецептор способствует накоплению Rop на домены апикальной плазматической мембраны на кончиках корневых волосков (Duan et al., 2010). Волосы остаются на кончиках развивающихся волос до тех пор, пока рост не прекратится (Molendijk et al.2001). Предполагается, что факторы обмена гуаниновых нуклеотидов для Rops (RopGEFs) также необходимы для FER-зависимого действия в развитии корневых волосков (Huang et al., 2013).

В течение нескольких минут после локализации Rop клеточная стенка корневых волосков начинает выпирать, и pH стенки падает. Это изменение pH может активировать белки экспансина, которые катализируют разрыхление стенок (рис. 12C; Bibikova et al. 1998; Baluska et al. 2000; Monshausen et al., 2007). Механизм, ответственный за изменение pH, неясен; это может быть связано с локальными изменениями в структуре полимера стенки и ионообменной способности, или с локальной активацией протонной АТФазы или другой активностью транспорта протонов (Бибикова и др.1998).

По мере увеличения выпуклости эндоплазматический ретикулум внутри него конденсируется (Рис. 12D; Ridge et al., 1999) и накапливается F-actin (Baluska et al., 2000). В оптимальных условиях требуется около 30 минут для образования припухлости корневых волосков на поверхности эпидермальных клеток (Бибикова и др., 1998).

Рост корня волос на кончике

Особенности роста кончика. Как только образовалась припухлость, начинается рост кончика. Рост кончика — это чрезвычайно поляризованный тип роста клеток, который приводит к образованию трубчатых клеток (рис. 13, 14).Рост кончика часто бывает быстрым; Корневые волоски арабидопсиса обычно растут со скоростью 1 мкм мин. ^–1 или более. Помимо корневых волосков, другие клетки трубчатой ​​формы, включая пыльцевые трубки, образуются в результате роста кончиков. Рост кончика волос поддерживается экзоцитозом пузырьков на верхушке корневого волоска. Эти везикулы содержат грузовые молекулы, такие как полисахариды клеточной стенки и (глико) белки клеточной стенки, которые будут включены во вновь формирующиеся клеточные стенки. Кроме того, интегральные мембранные белки, такие как синтазы клеточной стенки и белки-переносчики мембран, переносятся на плазматическую мембрану, где они функционируют в увеличении роста кончика.Было подсчитано, что для поддержания роста кончиков корневых волосков требуется более 9000 экзоцитозов в минуту (Ketelaar et al., 2008). Эти пузырьки образуются гладкой и шероховатой эндоплазматической сетью и комплексами Гольджи.

Во время роста кончика цитоплазма сильно поляризована. В трубке растущих корневых волосков только тонкий слой кортикальной цитоплазмы окружает большую центральную вакуоль, в то время как цитоплазма накапливается в субапикальной и апикальной частях клетки (рис. 13A, B). Ядро обычно располагается у основания плотной области цитоплазмы и отслеживает кончик кончика на фиксированном расстоянии примерно 75 мкм до тех пор, пока рост корневых волосков не прекратится (Рисунок 14) (Ketelaar et al., 2002). В субапикальной цитоплазме накапливаются все клеточные компоненты, поддерживающие рост кончика. Вместе они упоминаются как единица роста кончика (Emons and Ketelaar, 2009). Крайняя вершина содержит большое количество пузырьков, тогда как другие мембранные структуры в этой области отсутствуют (Galway et al., 1997; Ketelaar et al., 2007). Непрерывной доставке новых везикул способствует поток цитоплазмы, перемешивание клеточного содержимого (рис. 13, Supplementary Movie 1 (tab.0172-MPEG008-LiveRootHairs.MPG). Десятисекундная петля, показывающая струю на кончике растущего корневого волоска при 100-кратном увеличении).

Рис. 13.

Рост корня волос на кончике.

(A) Диаграмма, показывающая механизм роста кончиков корневых волосков Arabidopsis. Наконечник заполнен мембраносвязанными везикулами, доставляющими новый материал клеточной стенки. Эти везикулы образуются в эндоплазматическом ретикулуме (ER) и диктиосомах, которые в большом количестве находятся за кончиком. Белок Rop локализуется на кончике вместе с F-актином и градиентом кальция, сфокусированным на кончике.Считается, что этот градиент кальция создается кальциевыми каналами, активируемыми гиперполяризацией, которые расположены на плазматической мембране на кончике волоса. Другие каналы импортируют осмотически активные ионы K ⁺ и Cl ^— , которые помогают поддерживать тургорное давление по мере роста волос. Направление роста контролируется микротрубочками, которые проходят по длине волоса.

(B) Цитоархитектура на кончике удлиненного корневого волоска. Электронные микрофотографии в просвечивающем свете участков удлиненного волоса, показывающие клеточную стенку (w), пузырьки (v) и эндоплазматический ретикулум (e).Вверху — кончик волос заполнен пузырьками. Внизу — разрез сразу за верхушкой показывает плотную эндоплазматическую сеть, окруженную пузырьками.

(C) Корневые волоски, растущие на кончиках, имеют градиент кальция, сфокусированный на кончиках. Курс времени, показывающий установление и поддержание градиента кальция в удлиненных корневых волосах и его исчезновение при прекращении роста. Концентрация свободного кальция в цитоплазме ([Ca ²⁺ ] _c ) была отображена с использованием индо-1 и была закодирована псевдо-цветом согласно шкале на вставке.[Ca ²⁺ ] _c показан в первой и третьей строках с соответствующими изображениями в проходящем свете той же ячейки во второй и четвертой строках (см. Wymer et al. 1997).

Рис. 14.

Волосы, растущие на кончике, просматриваются с помощью дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии (DIG). Большая часть волос вакуолизирована (V), имеется скопление цитоплазмы на кончике (C), а ядро ​​(N) (n обозначает ядрышко) вошло в волосы.

Кальций в росте кончиков. Для роста кончиков корневых волос требуется кальций (Schiefelbein et al., 1992). Когда корневые волоски арабидопсиса имеют длину 5–10 мкм, концентрация Ca ²⁺ на кончике вздутия увеличивается с примерно 200 нМ до по крайней мере 1 мкМ и остается очень высокой на протяжении всего роста кончика (рис. 13C; Wymer et al., 1997; Бибикова и др., 1999). Градиент кальция на кончике волос, по-видимому, является частью механизма, который контролирует направление роста, облегчая слияние экзоцитотических пузырьков с апикальной плазматической мембраной и последующей доставкой груза клеточной стенки к расширяющейся клеточной стенке (Рисунок 13). (Пей и др., 2012). Если концентрация ионов кальция искусственно увеличена по направлению к одной стороне кончика, волосы переориентируются, чтобы расти в этом направлении (Бибикова и др., 1997). Кроме того, лечение блокатором каналов Ca ²⁺ (например, нифедипином) дает волосы с увеличенными кончиками, предположительно из-за нарушения градиента кальция и децентрализованного слияния пузырьков на кончике (Schiefelbein et al., 1992).

Кальций переносится через мембрану на кончике волос по каналам, которые активируются отрицательным потенциалом на этой мембране (от -160 до -200 мВ; Lew, 1996; Very and Davies, 2000).Этот потенциал, вероятно, генерируется Н + АТФазой плазматической мембраны. Источник кальция для роста кончиков корневых волос неясен. Когда волосы растут через раствор, кальций, по-видимому, импортируется из жидкости, окружающей растущий кончик. Однако корневые волоски хорошо растут во влажном воздухе и в большом количестве встречаются в воздушных карманах в почве (С. Грирсон, неопубликованные наблюдения; Ryan et al., 2001). В этих условиях кальций для роста кончиков волос должен (1) высвобождаться из вновь отложившейся стенки, или (2) транспортироваться через апопласт и откладываться около кончика волос, или (3) высвобождаться из внутриклеточных хранилищ (Ryan et al. ., 2001).

Rop GTPase белки, которые участвуют в инициации корневых волосков (гиперссылка на секцию инициации выше ), продолжают функционировать во время роста кончиков. У растений со сверхэкспрессией мутантной GTPазы Rop, которая постоянно находится в активной (GTP-связанной) форме, корневые волоски имеют форму баллона, что позволяет предположить, что Rop GTPases должны циклически переходить от GTP-связанной формы к GDP-связанной форме для направления роста кончиков к быть под контролем (Jones et al, 2002). RHO-СВЯЗАННЫЙ БЕЛК ИЗ РАСТЕНИЙ2 ( ROP2.At1g20090 ) инициирует генерацию активных форм кислорода (ROS) NADPH-оксидазой, ROOT HAIR DEFECTIVE2 ( RHD2 : At5g51060 ) (Foreman et al., 2003; Jones et al., 2007). Накопление АФК, стимулированное ROP GTPase, активирует кальциевые каналы в этих клетках, которые в петле положительной обратной связи дополнительно активируют активность оксидазы RHD2 за счет повышения уровней Ca ²⁺ . Хотя идентичность этого канала Ca ²⁺ остается не охарактеризованной, члены семейства белков, управляемых циклическими нуклеотидами, участвуют в этом процессе в пыльцевых трубках и могут играть аналогичные роли во время формирования этого градиента в корневых каналах. волосковые клетки (Frietch et al., 2007). Этот сфокусированный на кончике градиент Ca ²⁺ сохраняется, пока в этих клетках происходит рост кончика, и он исчезает, когда эти клетки перестают расти (Wymer et al., 1997).

Актин в росте кончиков. Помимо ориентированных на кончик градиентов Ca ²⁺ , актиновый цитоскелет играет важную роль в росте корневых волосков, во-первых, выступая в качестве основы, по которой происходит поток цитоплазмы, а во-вторых, организуя цитоплазму субапикальной области во время роста кончиков. (Рисунок 1).Когда актиновый цитоскелет деполимеризуется обработкой ингибиторами актина, рост кончиков как в пыльцевых трубках, так и в корневых волосках ингибируется (Gibbon et al., 1999; Baluska et al., 2000; Ketelaar et al., 2002; 2003). Однако, хотя F-актин накапливается в кончиках вновь образовавшихся выпуклостей корневых волосков, обработка латрункулином B, который препятствует полимеризации F-актина, не блокирует образование выпуклостей. Это указывает на то, что выбор участков для будущего роста кончиков корневых волосков и образования выпуклостей не зависит от актина (Baluska et al., 2000).

Как только начинается удлинение корневых волосков, ограниченное кончиками, организация актина становится сильно поляризованной. В трубке корневого волоса толстые пучки F-актина поддерживают поток цитоплазмы в кортикальной цитоплазме (см. Раздел о росте кончиков корневых волос). В (под) апикальной части удлиненных корневых волосков накопление цитоплазмы поддерживается конфигурацией F-актина, которая коррелирует с ростом кончиков корневых волосков: тонкий F-актин. Тонкий F-актин представляет собой плотную и высокодинамичную конфигурацию актина, которая намного более чувствительна к ингибиторам актина, чем толстые пучки актина, расположенные в более дистальных областях корневой волосяной трубки.Когда корневые волоски обрабатываются низкими концентрациями ингибиторов актина, тонкий F-актин специфически деполимеризуется; цитоплазматический поток продолжается, и толстые пучки F-актина петляют через кончик. Это приводит к исчезновению (суб) апикального накопления цитоплазмы и торможения роста (Miller et al., 1999; Ketelaer et al., 2002, 2003; Ketelaar, 2013). При обработке более низкой концентрацией ингибиторов актина мелкодисперсный F-актин частично деполимеризуется, рост продолжается, но диаметр кончика увеличивается (Ketelaar et al., 2003). Это говорит о том, что тонкий F-актин играет роль в определении ширины корневых волосков. Аналогичные наблюдения были сделаны в пыльцевых трубках (Gibbon et al., 1999).

Действующие связывающие белки (ABP). ABPs играют важную роль в определении организации высшего порядка актинового цитоскелета. ABPs можно разделить на несколько групп: нуклеирующие белки актина, белки, которые увеличивают оборот актина, белки, перекрестно связывающие актин, и моторные белки (Ketelaar, 2013). Активность некоторых АД регулируется локальной концентрацией ионов кальция.Была выдвинута гипотеза, что модуляция активности АД с помощью сфокусированного на кончике градиента Ca ²⁺ отвечает за образование и поддержание тонкого F-актина на кончике растущих корневых волосков (Ketelaar, 2013; Pei et al., 2012). ABPs, которые имеют известную функцию в организации актина во время роста корневых волос, обсуждаются ниже. Вероятно, что намного больше ABPs функционируют в организации актина во время роста корневых волосков и еще предстоит идентифицировать из-за избыточности белков из того же или разных семейств.

нуклеирующие белки актина включают комплекс Arp2 / 3 (Higgs and Pollard, 2001) и образуют ins (Cvrckovà et al., 2004). Комплекс Arp2 / 3 зарождает новую актиновую нить со стороны существующей нити под фиксированным углом 70 градусов (Higgs and Pollard, 2001). В корневых волосках некоторых мутантов Arabidopsis с нарушенной активностью комплекса Arp2 / 3 наблюдались волнистые, вздутые и ветвящиеся корневые волоски с уменьшенной длиной (Mathur et al., 2003a; 2003b), в то время как у других отсутствовали дефекты роста кончиков (Brembu). и другие., 2004; Эль-Ассаль Сел и др., 2004; Эль-Дин Эль-Ассаль и др., 2004).

Формины используют большой пул мономеров актина, который связан с секвестрирующим актин белком профилином для нуклеации и полимеризации актина (Michelot et al., 2005; Ye et al., 2009; Vidali et al., 2009; Zhang et al. , 2011a; Ван Гисберген, Безанилла, 2013). Формины растений можно разделить на два класса: формины класса 1, которые обычно обладают трансмембранным доменом, и формины класса 2, которые проявляют множество взаимодействий (Van Gisbergen and Bezanilla, 2013).Формины были идентифицированы как ключевые регуляторы в кончиках растущих пыльцевых трубок и протонемных клетках мха (Staiger et al., 2010; Van Gisbergen and Bezanilla, 2013) путем специфической нуклеации актиновых филаментов в субапикальных цитоплазматических доменах этих растущих на кончике клеток (Cheung et al., 2010; Van Gisbergen and Bezanilla, 2013). др., 2010). Роль форминов в росте корневых волос менее изучена. Сверхэкспрессия гена формина арабидопсиса класса 1 FORMIN8 ( FH8: At1g70140 ) вызывает накопление F-актина в растущих кончиках корневых волосков и дефекты в организации актина и дефекты роста, такие как замедление роста, отек кончиков, волнистость и ветвление ( Йи и др., 2005). Используя подход, при котором FH8, лишенный нуклеирующего актин домена Fh3, сверхэкспрессируется, Deeks et al. (2005) показали, что количество и длина корневых волосков уменьшились.

Профилины представляют собой белки, связывающие мономер актина. В то время как связанные с профилином мономеры актина не могут спонтанно зарождаться или полимеризоваться (Valenta et al., 1993; Gibbon et al., 1998), они могут использоваться для опосредованного формином зарождения и удлинения актиновых филаментов (см. Нуклеирующие белки F-актина). Сверхэкспрессия гена профилина Arabidopsis PROFILIN1 ( PFN1: At2g19760 ) вызывает образование корневых волосков, которые в два раза длиннее корневых волосков у растений дикого типа (Ramachandran et al., 2000).

Фактор деполимеризации актина (ADF) связывает как G-актин, так и F-актин. Он увеличивает оборот актина за счет разделения актиновых филаментов и увеличения скорости диссоциации с их минус-концов (Maciver and Hussey, 2002). Активность выделения актина из ADF кукурузы, ZmADF3, усиливается за счет высоких концентраций Ca ²⁺ за счет фосфорилирования с помощью кальций-зависимой протеинкиназы (CDPK; Smertenko et al., 1998; Allwood et al., 2001). Это говорит о том, что в кончиках растущих корневых волосков усиление активности ADF играет роль в образовании тонкого F-актина.Корневые волоски растений Arabidopsis, которые сверхэкспрессируют ACTIN DEPOLYMERIZING FACTOR1 ( ADF1 : At3g46010 ) ген, имеют нерегулярную организацию актина и короче (Dong et al., 2001). Корневые волоски с пониженной экспрессией ADF1 длиннее и обладают более продольно ориентированными актиновыми кабелями (Dong et al., 2001).

ПРОТЕИН, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЙ С АКТИНОМ ( AIP1: At2g01330 ), эволюционно консервативный белок с повторами WD, усиливает активность ADF (Allwood et al., 2002; Staiger et al., 2010). В корневых волосках линий Arabidopsis, в которых экспрессия AIP1 снижена с помощью РНКи, связанные кабели F-актина достигают апикальной области растущих корневых волосков, которые обычно содержат мелкодисперсный F-актин. Скорость роста этих корневых волосков до 5 раз ниже по сравнению с волосками дикого типа (Ketelaar et al., 2004). Когда AIP1 сверхэкспрессируется, происходит набухание кончиков корневых волосков и ингибирование роста корневых волосков. В этих корневых волосках актиновый цитоскелет образовывал очень заметные пучки, петляющие через их кончики (Ketelaar et al., 2007).

Помимо роли в продукции цАМФ (Moutinho et al., 2001), член семейства циклазо-ассоциированных белков CYCLASE-ASSOCIATED PROTEIN 1 ( CAP1: At4g34490 ) служит фактором обмена нуклеотидов для мономеров актина, который увеличивает АДФ до АТФ. частота замещения более чем в 50 раз (Chaudhry et al., 2007). В корневых волосках мутантов Arabidopsis cap1 и актин, и цитоплазматическая организация серьезно нарушены, и скорость роста корневых волосков снижена. Это приводит к образованию более коротких корневых волосков (Deeks et al., 2007). Когда комплекс Arp2 / 3 и CAP1 разрушаются одновременно, рост корневых волосков прекращается после образования выпуклости, это указывает на то, что CAP1 и комплекс Arp2 / 3 действуют синергетически в организации актина во время роста корневых волос (Deeks et al., 2007).

Виллины — это белки, связывающие актиновые филаменты. Большинство ворсинок растений обладают, помимо активности связывания актина, Ca ²⁺ / кальмодулин-зависимого расщепления актина, блокирования F-актина и активности связывания мономерного актина (Tominaga et al., 2000; Йокота и др., 2005; Хуанг и др., 2005; Хурана и др., 2010; Zhang et al., 2010; Zhang et al., 2011b). Таким образом, хотя ворсинки представляют собой связывающие актин белки при низких концентрациях Ca ²⁺ , они увеличивают оборот актина при более высоких концентрациях Ca ²⁺ . Мутации в гене VILLIN4 ( VLN4: At4g30160 ) формируют корневые волоски с более тонкой организацией актина, более низкими скоростями удлинения и пониженной скоростью потока цитоплазмы (Zhang et al., 2011b). Нарушение 135-ABP ворсинки лилии путем микроинъекции специфического антитела против этого белка вызывает дефекты связывания актина в полностью выросших корневых волосках из Hydrocharis dubia (Tominaga et al., 2000). Эти наблюдения предполагают роль ворсинок в связывании актина во время роста корневых волосков. Ca ²⁺ зависимая актиновая активность виллина по разделению и кэпингу участвует в регуляции динамики актина в апикальной области пыльцевых трубок (Qu et al., 2013). Так как пыльцевые трубочки обладают подобным сфокусированным на кончиках градиентом Ca ²⁺ , вполне вероятно, что Ca ²⁺ -зависимые функции ворсин также вносят вклад в регуляцию динамики актина в кончиках растущих корневых волосков.

Моторные белки Myosin XI участвуют в актин-зависимом переносе органелл и актин-опосредованной реструктуризации цитоплазмы у растений (Lee and Liu, 2004; Reisen and Hanson, 2007; Hoffmann and Nebenführ, 2004; Van der Honing et al. 2010). Геном арабидопсиса содержит 13 генов миозина XI (Reddy and Day, 2001). Уменьшение роста корневых волосков и измененная организация актина наблюдается у мутанта MYOSIN XI K ( ATXIK: At5g20490 ) (Park and Nebenfuhr, 2013), а также у линий, в которых нарушены множественные гены миозина XI (Ojangu et al., 2007; Прохневский и др., 2008; Перемыслов и др., 2008; Перемыслов и др. 2010). Кроме того, моторная активность миозина XI снижается в условиях высокого содержания Ca ²⁺ (Tominaga et al., 2012), что приводит к снижению скорости потока цитоплазмы (Doree and Picard, 1980; Woods et al., 1984; Takagi and Nagai, 1986). ; Коно, Шиммен, 1988). Это Ca ²⁺ -зависимое ингибирование миозина XI может объяснять снижение скорости потока цитоплазмы, которое наблюдается в растущих кончиках корневых волосков (Sieberer and Emons, 2000).

Цитоскелет микротрубочек. Как и в других растительных клетках, корневые волоски обладают выдающимся набором кортикальных микротрубочек (CMTs; Sieberer et al., 2005). У Arabidopsis CMT в корневой волосяной трубке ориентированы сетчато-аксиально, то есть их средняя ориентация параллельна длинной оси трубки (Ketelaar et al., 2002; Van Bruaene et al., 2004). Когда цитоплазма начинает накапливаться во время инициации роста кончиков корневых волосков, динамический массив эндоплазматических микротрубочек (EMT) накапливается в субапикальной цитоплазматически плотной области (Van Bruaene et al., 2004). EMTs берут начало в перинуклеарной цитоплазме и проходят в осевом направлении к кончику волоса (Van Bruaene et al., 2004). Хотя пучок EMTs иногда достигает крайнего кончика, обычно как CMT, так и EMT отсутствуют на крайней вершине растущих корневых волосков (Marc et al., 1998; van Bruaene et al., 2004). Поскольку микротрубочки чувствительны к повышенным концентрациям Ca ²⁺ (Cyr, 1991, 1994), высокая концентрация Ca ²⁺ в кончике растущих корневых волосков может препятствовать их полимеризации в кончике (Sieberer et al., 2005).

Организация микротрубочек в корневых волосках нарушена из-за изменений в гене, кодирующем кинезин-родственный белок, содержащий повтор броненосца, МОРФОГЕНЕЗ КОРНЕВЫХ ВОЛОС 2 ( MRh3 / ARK1 At3g54870 ). Нулевые мутанты MRh3 / ARK1 демонстрируют повышенное количество EMT, а корневые волоски волнистые и иногда ветвящиеся, что позволяет предположить, что MRh3 / ARK1 регулирует рост кончиков, ограничивая сборку и распределение эндоплазматических микротрубочек (Jones et al., 2006; Sakai et al., al., 2008). Более того, мутации mrh3 / ark1 действуют как генетические энхансеры фенотипа CA-rop2 . Интересно, что содержащий домен повтора броненосца MRh3 / ARK1-фрагмент может связываться с полимеризованным актином in vitro, а мутант mrh3 / ark1 обнаруживает повышенную чувствительность к деполимеризации актина. Таким образом, MRh3 / ARK1 не только контролирует организацию МТ в корневых волосах, но также может участвовать в координации актина и организации микротрубочек во время роста корневых волос (Yang et al., 2007).

При обработке корневых волосков арабидопсиса ингибитором микротрубочек оризалин или стабилизатором микротрубочек паклитакселом (таксолом) скорость их роста не изменяется, но направление роста становится волнистым, а иногда корневые волоски разветвляются (Бибикова и др., 1999; Ketelaar et al. ., 2002; Preuss et al., 2004). Это указывает на то, что микротрубочки помогают поддерживать прямую ось роста, но не участвуют напрямую в поддержании скорости расширения, ограниченного кончиком. Когда рост корневых волосков временно прерывается, функция микротрубочек в росте корневых волосков становится еще более ясной: в присутствии микротрубочек рост корневых волосков восстанавливается в исходной ориентации, тогда как, если микротрубочки нефункциональны, направление роста волос восстановление происходит случайно (Бибикова и др., 1999; Кетелаар и др., 2002; Рисунок 15). Взятые вместе, эти наблюдения подтверждают, что цитоскелетная сеть микротрубочек функционирует только косвенно, контролируя рост корневых волосков у Arabidopsis. Однако он, вероятно, играет более важную роль, когда необходимы изменения в направлении роста корневых волосков, например, когда корневые волоски вьются вокруг азотфиксирующих бактерий во время образования корневых узелков у бобовых (Sieberer et al., 2005).

Передача поляризованных мембран в корневых волосках

Поляризованное распространение корневых волосков зависит от непрерывного образования и доставки вновь синтезированных компонентов клеточной стенки к растущим кончикам этих клеток; в результате контроль над перемещением через мембрану играет решающую роль в формировании корневых волосков.Члены семейства Rab GTPase являются важными регуляторами переноса эукариотической мембраны, и они выполняют эти регуляторные функции за счет своей специфической локализации в различных субклеточных органеллах внутри этих клеток (Zerial and McBride, 2001; Vernoud et al., 2003; Nielsen et al. 2008 г.). Во время роста кончиков корневых волосков вновь синтезированные компоненты клеточной стенки упаковываются в секреторные пузырьки, которые выходят из мембран растительной транс-сети Гольджи (TGN), а затем направляются и доставляются в область апикальной плазматической мембраны растущих корневых волосков.У Arabidopsis образование и доставка по крайней мере одной субпопуляции этих секреторных везикул регулируется специфическим рекрутированием членов семейства RabA растительных ГТФаз Rab в эти мембранные компартменты (Preuss et al., 2004; Ovecka et al., 2010; Канг и др., 2011). В своей активной, GTP-связанной конформации Rab GTPases функционируют посредством рекрутирования цитозольных «эффекторных белков» на свои мембраны-мишени. Во время верхушечного роста корневых волосков арабидопсиса RAB GTPASE HOMOLOG A4b ( RAB-A4b: At4g39990 ) привлекает липидные киназы, ФОСПАТИДИЛИНОЗИТОЛ 4-ОН-КИНАЗА БЕТА1 ( PI4Kβ1: At5g64070 ) и ФОСФАЗЫ : At5g09350 ), которые фосфорилируют инозитоловую головную группу фосфатидилинозитола (PI) с образованием PI-4P (Mueller-Roeber and Pical, 2002).Регулирование уровней PI-4P посредством скоординированного действия этих липидкиназ, а также фосфатазы PI-4P, ROOT HAIR DEFECTIVE4 ( RHD4: At3g51460 ), играют важную роль в регуляции и доставке секреторного груза к кончикам роста. корневые волоски (Preuss et al., 2004, 2006; Thole et al., 2008). Кроме того, фосфорилирование PI-4P до PI-4,5P ₂ с помощью 1-ФОСФАТИДИЛИНОЗИТОЛ-4-ФОСФАТ-5-КИНАЗЫ 3 ( PIP5K3: At2g26420 ) необходимо для надлежащего контроля роста кончиков корневых волосков (Kusano et al. ., 2008; Stenzel et al., 2008). Обогащение PI-4P и PI-4,5P ₂ , вероятно, участвует в организации переноса поляризованных мембран в корневые волосковые клетки, действуя как детерминанты нацеливания, которые стимулируют рекрутирование других белков, играющих важную роль в росте кончиков корневых волосков, которые содержат PI-4P. или PI-4,5P ₂ связывающих доменов (Bubb et al., 1998; Yoo et al., 2012).

Рисунок 15.

Направление роста кончика контролируется кальцием и микротрубочками.

(A, B) Цитоплазматический кальций и рост кончиков в необработанных (A) и 10 мкМ таксол обработанных (B) корневых волосков после локальной фотоактивации клеточного ионофора кальция.Ионофор активировали, освещая области в коробках УФ-лазером. Концентрацию свободного кальция в цитоплазме ([Ca ²⁺ ] _c ) отображали с использованием кальциевого зеленого / родамина и кодировали псевдо-цветом согласно шкале на вставке.

(A) На необработанные волосы ионофор не повлиял.

(B) Волосы, обработанные таксолом, росли в направлении ионофора. Таксол способствует полимеризации микротрубочек.

(C) Диаграмма, показывающая процент необработанных и обработанных таксолом корневых волосков, которые переориентировали свой рост в ответ на локально активированный ионофор кальция

(адаптировано из Bibikova et al.1999).

Клеточные стенки корневых волосков

Стенки корневых волосковых клеток организованы в два отдельных слоя, которые, кажется, отражают, когда и где они откладываются во время развития корневых волосков. Первоначальное отложение клеточной стенки происходит на крайних апикальных 30-50 мкм растущих корневых волосках (Newcomb and Bonnett, 1965; Galway et al., 1997). Фибриллярные элементы, которые могут быть целлюлозными микрофибриллами, наблюдаются в этих апикальных стенках корневых волосковых клеток, но в отличие от клеток, подвергающихся диффузной экспансии, эти элементы, по-видимому, короче и ориентированы беспорядочно (Newcomb and Bonnett, 1965).Дополнительные слои внутренней клеточной стенки, содержащие параллельные массивы микрофибрилл целлюлозы, по-видимому, откладываются позже, и они часто имеют спиральную ориентацию по длине корневого волоска. Синтез целлюлозы необходим для роста кончиков корневых волосков (Park et al., 2011; Galway et al., 2011), и хотя известные компоненты целлюлозосинтазных комплексов CESA3 и CESA6 не наблюдаются в апикальных плазматических мембранах в активно растущих клетках корневых волосков функциональный, флуоресцентно-меченый ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЙ СИНТАЗОПОДОБНЫЙ БЕЛК D3 ( CSLD3 / KJK / RHD7: At3g03050 ) был обогащен на кончиках растущих корневых волосков (Park et al., 2011). И CSLD2 (At5g16910), и CSLD3 / KJK / RHD7 , члены суперсемейства целлюлозо-синтазоподобных (CSL), необходимы для роста корневых волосков (Wang et al., 2001; Bernal et al., 2008). ; Galway et al., 2011; Yin et al., 2011; Yoo et al., 2012). Хотя активность маннан-синтазы была обнаружена для некоторых белков CSLD (Yin et al., 2011), химера CSLD3, содержащая каталитический домен CESA6, восстанавливала рост корневых волосков у нулевого мутанта csld3 (Park et al., 2011), повышая интригующая возможность того, что белки CSLD могут синтезировать целлюлозоподобные полисахариды в растущих на кончике корневых волосковых клетках.

Полисахариды клеточной стенки ксилоглюкана и пектина также необходимы для роста кончиков волосковых клеток корня. Ксилоглюкан представляет собой β-1,4-связанный глюкановый полимер с обширными модификациями боковой цепи, содержащий ксилозу, галактозу и сахара фукозы. Члены семейства CSLC синтезируют глюкановую основу ксилоглюкана (Cocuron et al., 2007), в то время как ксилозиловые остатки прикрепляются к основной цепи глюкана серией ксилозилтранфераз, кодируемых XYLOGLUCAN XYLOSYL TRANSFERASE 20: ), XXT2 ( At4g02500 ) и другие. Arabidopsis xxt1 / xxt2 двойные мутанты росли нормально, но корневые волоски у этих мутантов короче и имеют выпуклые основания (Cavalier et al., 2008). Недавно было показано, что ксилоглюкановая ГАЛАКУРОНОЗИЛТРАНСФЕРАЗА1 ( XUT1: At1g63450 ) является галактуроносилтрансферазой, которая включает остатки галактуроновой кислоты в полисахариды ксилоглюкана, специфичные для корневых волос (Won et al., 2009, Peña).

Гомогалактуронан (HG), рамногалактуронан I (RG-1) и рамногалактуронан II (RG-II) являются тремя основными формами пектина, и вместе эти полисахариды составляют примерно 35-40% первичных клеточных стенок арабидопсиса.Нарушение генов, кодирующих UDP-4-KETO-6-DEOXY-D-GLUCOSE-3,5-EPIMERASE-4-REDUCTASE1 ( UER1: At1g63000 ) или UDP-D-GLUCURONATE 4-EPIMERASE 6 ( GAE6: At3g23820 ). ), два фермента, необходимые для синтеза предшественников пектина, влияли на длину корневых волосков (Pang et al., 2010). Кроме того, FucA1, аналог сахара фукоза-алкин, избирательно включается в клеточные стенки во вновь образовавшихся выпуклостях корневых волосков, что указывает на важную роль этих полисахаридов во время инициации корневых волосков (Anderson et al., 2012).

Помимо основных классов полисахаридов, многие классы структурных белков секретируются и включаются в стенки растущих клеток. У Arabidopsis два члена семейства белков клеточной стенки экспансинов, EXPANSIN A7 ( EXPA7: At1g12560 ) и EXPANSIN A18 ( EXPA18: At1g62980 ), проявляют экспрессию, специфичную для корневых волос (Cho and Cosgrove, 2002; Jones et al. al., 2006; Won et al., 2009; Bruex et al., 2012), и изменение их уровней обработкой препаратами экзогенного белка или подавлением на основе РНКи приводило к изменению роста кончиков корневых волосков (Cosgrove et al., 2002; Lin et al., 2011). Многие гликопротеины, богатые гидроксипролином (HRGP), обнаруживаются в клеточных стенках (Velasquez et al., 2011; Mohnen and Tierney, 2011). Остатки пролина в этих белках посттрансляционно модифицируются с образованием гидроксипролина в процессе, катализируемом семейством мембраносвязанных пролил-4-гидроксилаз (P4Hs) (Velasquez et al., 2011; Mohnen and Tierney, 2011). Устранение экспрессируемых в корне генов PROLYL 4-HYDROXYLASE ( P4H ), P4h3 ( At3g06300 ), P4H5 ( At2g17720 ) или P4h23 (укороченный корень At2g23096) привел к волосы (Velasquez et al., 2011), которые указывают на важную роль HRGPs во время отложения стенок растительных клеток в растущих на кончиках корневых волосковых клетках.

Клеткам со стенками для поддержания роста требуется внутреннее давление, называемое тургором. Если тургор слишком низкий, цитоплазма не будет плотно прилегать к стенке, и тесный контакт между плазматической мембраной и стенкой окажется под угрозой. Кроме того, рост некоторых растительных клеток зависит от ионных каналов, которые активируются при растяжении клеточной мембраны. По этим причинам важно, чтобы растущие клетки растений имели механизмы, позволяющие сохранять набухание.При типичной скорости роста 1 мкМ мин. ^-1 корневые волоски арабидопсиса увеличивают свой объем примерно на 50 мкМ мин. ^-1 (Lew, 2000). Чтобы оставаться набухшим при увеличении объема, общее количество осмотических ионов в клетке должно увеличиваться. При росте корневые волоски арабидопсиса активно накапливают несколько осмотически активных ионов, включая K ⁺ и Cl ^— (рис. 13), но для регулирования тургора также используются другие, неустановленные механизмы (Lew, 1991; 1998). Эксперименты с использованием датчиков давления и осмотической жидкости были использованы, чтобы показать, что тургор регулируется путем определения изменений осмолярности, а не внутреннего давления (Lew, 1996).

Прекращение роста кончиков волос

Рост кончиков корневых волосков прекращается, когда волосы достигают достаточно предсказуемой длины. Рост можно продлить, увеличив экспрессию малой GTPase ROP2 (Jones et al., 2002) или фактора транскрипции ROOT HAIR SIX-LIKE4 ( RSL4 / bHLH54: At1g27740 ; Yi et al., 2010). Рост поддерживается ауксином (Lee and Cho 2006), который поставляется соседними неволосковыми клетками, которые транспортируют ауксин через эпидермис от кончика корня к побегу (Jones et al., 2009). По мере того, как кончик корня отрастает от молодых корневых волосковых клеток, они получают все меньше и меньше ауксина, пока запас ауксина не будет потерян и рост не прекратится (Jones et al., 2009). Конец роста точно контролируется и координируется, образуя симметричный куполообразный кончик того же диаметра, что и стержень волоса. Когда волосы перестают расти, цитоплазма на кончике рассеивается, и вакуоль увеличивается в виде купола (рис. 13C). Одновременно белок Rop (Molendijk et al., 2001), градиент кальция (рис. 13C; Wymer et al., 1997), а активность кальциевых каналов (Schiefelbein et al., 1992; Very and Davies, 2000) теряется на кончике.

Молекулярная генетика образования корневых волосков

Дополнительная таблица 1 (tab.0172-table-1.docx) перечисляет гены, которые влияют на развитие корневых волосков, а на рисунке 16 показана стадия, на которой задействован каждый ген. Здесь гены обсуждаются в том порядке, в котором они вносят свой вклад.

Гены, влияющие на количество отеков на каждой волосковой клетке. Клетки корневых волосков дикого типа образуют единственную опухоль на своей внешней стенке, которая перерастает в волос.Ген RHD6 необходим для инициации этого процесса: мутанты rhd6 почти лишены волос, и среди немногих клеток, которые продуцируют волосы, некоторые из них инициируют более одного волоса (Masucci and Schiefelbein, 1994). Это говорит о том, что RHD6 участвует в контроле за установлением и количеством отеков. Волосковые клетки на корнях, мутировавшие в гене TINY ROOT HAIR1 ( TRh2: At4g23640 ), иногда имеют дополнительные набухания (Rigas et al., 2001), что означает, что TRh2 предотвращает образование множественных набуханий на волосковых клетках дикого типа. TRh2 кодирует транспортер калия (Rigas et al., 2001). Требуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как это влияет на количество отеков. Дополнительные набухания также возникают при избыточной активности ROP, например, на растениях с мутациями в негативном регуляторе RhoGDI1 SUPER-CENTIPEDE ( SCN1: At3g07880 ) или растениях, сверхэкспрессирующих ROP2 (Carol et al., 2005; Jones and Smirnoff, 2006). ).

Гены, влияющие на расположение волосков на клетке. Корневые волоски многих видов, включая Arabidopsis, появляются на корневом конце клетки (Leavitt, 1904; Masucci and Schiefelbein, 1994).Ген Arabidopsis RHD6 влияет на это позиционирование. Волосы на rhd6 мутантных корнях появляются в более отдаленном от побегов положении (дальше от кончика корня; фиг. 17), вовлекая RHD6 в механизмы, которые способствуют образованию волос на апикальном конце клетки. Тот факт, что RFID6 определяет, сколько клеток образуют волосы, а также положение волос на волосковой клетке, предполагает, что RFID6 связывает механизмы, которые контролируют, будет ли формироваться волос, с механизмами, контролирующими, где на клетке появятся волосы.На расположение волосков на клетке также влияют ауксин и этилен (гиперссылка на раздел «Ауксин и этилен регулируют рост корневых волос», ниже ).

Рисунок 16.

Генетика морфогенеза корневых волосков.

Диаграмма, обобщающая стадии развития корневых волосков, которые влияют на форму волосковой клетки, и фенотипы соответствующих мутантов и трансгенных растений. Корневые волоски уменьшены в длину, чтобы соответствовать фигуре. Слева показаны стадии развития волос дикого типа.Дефекты мутантных или трансгенных волос показаны справа рядом с соответствующей стадией развития дикого типа. Мутанты появляются более одного раза, когда они влияют на более чем одну стадию развития. OX-PFN указывает на сверхэкспрессию гена PFN1 .

Гены, ограничивающие размер опухоли. Как описано выше, каждое набухание образуется в результате разрыхления клеточной стенки. У Arabidopsis дикого типа степень разрыхления хорошо воспроизводится, а диаметр набухания постоянно составляет около 22 мкм (Parker et al., 2000, рисунок 18). Мутации в генах TIP GROWTH DEFECTIVE1 ( TIP1: At5g20350 ) и ROOT HAIR DEFECTIVE1 ( RHD1: At1g64440 ) генерируют мутантные растения с большими набуханиями (фигура 18). У мутантов tip1 диаметр набухания увеличен примерно на треть. Мутанты rhd1 имеют огромные вздутия, которые занимают большую часть внешней поверхности волосковой клетки (рис. 18). Поскольку tip1 и rhd1 оба являются мутантами с потерей функции, эти результаты предполагают, что гены RHD1 и TIP1 ограничивают размер набухания, предположительно за счет ограничения области ослабленной стенки (Parker et al., 2000; Райан и др., 1998; Schiefelbein et al., 1993; Schiefelbein и Somerville, 1990). Двойные мутанты tip1 rhd1 имеют аналогичные размеры набухания с одиночными мутантами rhd1 , указывая тем самым, что TIP1 не может влиять на размер набухания, если не присутствует продукт гена RHD1 (Parker et al., 2000). RHD1 кодирует UDP-глюкозо-4-эпимеразу, которая участвует в синтезе клеточной стенки, что позволяет предположить, что образование набухания у мутантов rhd1 связано с измененными свойствами клеточной стенки (Seifert et al., 2002). TIP1 кодирует пальмитоил (или S-ацил) трансферазу (Hemsley et al. 2005). Пальмитоилтрансферазы регулируют локализацию и активность белков на клеточных мембранах, поэтому вполне вероятно, что мутантный фенотип tip1 является следствием неправильной локализации или неправильной регуляции одного или нескольких неидентифицированных белков в клетках корневых волосков.

Гены, определяющие рост кончика. Рост кончика устанавливается к тому времени, когда волосы достигают длины 40 мкм (Dolan et al., 1994). Корневые волоски без функциональных RHD2 (Рисунок 19), SHAVEN1 ( SHV1: неизвестный ген ), SHV2 / MRh5 / COBL9 ( At5g49270 ), SHV3 / MRH5 ( At4g26690 ), TRh2 , или KJK гены перестают расти до этой стадии (рисунок 16, Parker et al., 2000; Шифельбейн и Сомервилль, 1990; Favery et al, 2001 .; Ригас и др., 2001). Мутации, затрагивающие гены CENTIPEDE1 ( CEN1: неизвестный ген), CEN2 (неизвестный ген), CEN3 (неизвестный ген), SCN1, BRISTLED1 ( BST1 / MRh4: At5g65090 ) и TIP1 , также могут остановить рост волос. до этой стадии, но только в определенных комбинациях двойных мутантов (Parker et al., 2000). Эти результаты предполагают, что все эти гены важны для успешного установления кончика верхушки.

Рисунок 17.

Волосы на мутанте rhd6 появляются в более базальном положении на волосковой клетке, чем волосы дикого типа (вес). Звездочка ( ^* ) указывает апикальную стенку каждой клетки.

Устойчивый рост кончиков корневых волос включает колебания внеклеточного pH, активных форм кислорода и цитозольного кальция. Вмешательство в эти колебания может предотвратить удлинение корневых волосков или вызвать разрыв на кончике (Monshausen et al. 2007, 2008). Волосы также могут лопнуть из-за того, что не прекращается разрыхление стенок или нарушается баланс между отложением стенок и ростом протопластов.Например, у мутантов kjk волосы лопаются после образования набухания, убивая клетки (Favery et al., 2001; Wang et al., 2001). Как описано ранее в этой главе, ген KJK / CSLD3 / RHD7 кодирует белок, связанный с целлюлозосинтазой. Интересно, что целлюлоза образуется на плазматической мембране, тогда как KJK находится в эндоплазматическом ретикулуме. KJK, вероятно, способствует синтезу полисахаридов, таких как бета-ксиланы, маннаны или ксилоглюкан (Favery et al., 2001).Волосы мутанта kjk имеют слабые клеточные стенки, которые не могут содержать растущий протопласт и лопнуть. SHV2 и SHV3 также кодируют белки, которые влияют на синтез клеточной стенки. Ген SHV2 / COBL9 / MRh5 кодирует заякоренный глюкозилфосфатидилинозитолом (GPI) белок, родственный COBRA, который влияет на отложение целлюлозы (Parker et al. 2000; Jones et al., 2006). SHV3 кодирует белок, подобный глицерофосфорилдиэфирфосфодиэстеразе, который влияет на содержание целлюлозы и модификацию пектина.Добавление бората к ростовой среде мутантов shv3 предотвращает лопание корневых волосков, возможно, за счет изменения поперечных сшивок пектиновых полисахаридов (Hayashi etl., 2008).

Рост корневых волосков также может прекратиться, если критически важная часть оборудования, поддерживающего рост кончиков, выйдет из строя. Транспортер калия TRh2 необходим для роста кончиков, и добавление мутантных корней trh2 с высокими уровнями калия не восстанавливает рост кончиков (Rigas et al., 2001). Эти результаты предполагают, что рост кончика зависит от транспорта калия, который точно локализован внутри клетки или скоординирован с другими событиями.Паттерн экспрессии репортера ауксина DR5 :: GUS и измерения концентрации ауксина в корнях дикого типа и мутантных корнях показывают, что корни мутанта trh2 изменили распределение ауксина, что дополнительно подтверждает идею о том, что ауксин необходим для роста корневых волос (Rigas et al. 2013) (гиперссылка на раздел «Ауксин и этилен регулируют рост корневых волосков» ниже).

Рис. 18.

Вздутие шире у корней tip1 и rhd1 . Вздутие дикого типа составляет около 22 мкм в диаметре.Набухания на мутанте rhd1 охватывают всю внешнюю стенку клетки. Мутант tip1–2 имеет вздутия около 27 мкм в поперечнике. Звездочки (*) обозначают торцевые стенки каждой клетки (см. Schiefelbein and Somerville, 1990; Parker et al., 2000).

Гены, препятствующие ветвлению. Корневые волоски дикого типа ветвятся редко. Растения с мутациями в генах SCN1, CAN OF WORMS1 (COW1: At4g34580), TIP1, CEN1, CEN2, CEN3, BST1, ROOT HAIR DEFECTIVE3 (RHD3: At3g13870), или RHD4 имеют больше ветвистых волос, чем растения дикого типа. .Во всех случаях, кроме BST1, , волосы разветвляются после образования набухания, так что несколько волос растут из одного и того же сайта инициации (Фигуры 16, 19). SCN1 играет особенно важную роль в предотвращении ветвления. Растения, гомозиготные по аллелю потери функции scn1–1 , демонстрируют высокий процент разветвленных волосков, а в некоторых двойных мутантных комбинациях, которые включают scn1–1, каждый волос является разветвленным (Parker et al., 2000). . SCN1 кодирует негативный регулятор малых GTPases ROP, предполагая, что фенотип scn1 обусловлен сверхактивностью ROP.Это подтверждается наблюдениями за ветвлением корневых волосков в линиях со сверхэкспрессией ROP (Jones et al. 2002). Как обсуждалось выше (гиперссылка на раздел «Гены, ограничивающие размер отека»), TIP1, вероятно, регулирует локализацию или активность одного или нескольких неидентифицированных белков в клетках корневых волосков. Несколько генов, влияющих на ветвление, кодируют белки, играющие роль в секреторном пути. COW1 представляет собой белок-переносчик фосфатидилинозитола, который локализуется в месте роста корневых волосков (Böhme et al. 2004).Мутанты rhd3 имеют короткие и завитые / волнистые корневые волоски, а также дефекты размножения клеток по всему растению (Schiefelbein and Somerville, 1990; Wang et al., 2002). RHD3 кодирует белок с GTP-связывающими доменами (Wang et al., 1997), который способствует формированию канальцевой сети ER (Chen et al. 2011), вероятно, опосредуя события слияния ER (Zhang et al., 2013) , и, следовательно, влияет на трафик через секретную сеть. RHD4 представляет собой фосфатидилинозитол-4-фосфатфосфатазу, которая регулирует накопление PI (4) P на участках мембраны у растущих кончиков корневых волосков (Thole et al.2008 г.).

Рисунок 19.

Фенотипы корневых волосков дикого типа и мутантных корневых волосков. Световые микрофотографии одиночных волосков дикого типа (wt), rhd2, rhd3, и rhd4, и разветвленного волоса с растения tip1 . Сканирующие электронные микрофотографии дикого типа (wt) и корней Irx1 . Легкая микрофотография кончика корня keule ( keu ) без корневых волосков. См. Дополнительную информацию в дополнительной таблице 1 (tab.0172-table-1.docx).

Гены, которые поддерживают и направляют рост кончиков. Идентифицировано много генов, влияющих на рост кончиков. Начинают понимать молекулярный вклад некоторых из этих генов.

LEUCINE-RICH REPEAT / EXTENSIN1 ( LRX1: At1g12040 ) кодирует белок клеточной стенки с богатыми лейцином повторами и гомологичен экстенсинам (Baumberger et al., 2001). LRX1 может регулировать расширение клеточной стенки. Он экспрессируется в корневых волосках и локализуется в клеточной стенке на кончике удлиненных волосков. Мутанты с потерей функции LRX1 имеют низкорослые и разветвленные корневые волоски (фиг. 19), что показывает, что LRX1 влияет на количество и место роста кончиков.

Потенциальные регуляторы роста кончиков корневых волос включают НЕПОЛНОЕ УДЛИНЕНИЕ ВОЛОС I ( IRE1: At5g62310 ) и ДЕФЕКТ КОРНЕВЫХ ВОЛОС 6-LIKE2 ( RSL2: At4g33880 ). Мутации в любом из этих генов приводят к коротким корневым волоскам, и каждый ген предпочтительно экспрессируется в растущих корневых волосках (Oyama et al., 2002; Yi et al., 2010), что подразумевает, что киназа AGC, кодируемая IRE1 , и Кодируемый RSL2 фактор транскрипции bHLH регулирует активность роста кончиков.

В соответствии с важной ролью актина в росте кончиков, мутации в гене ACTIN2 ( ACT2: At3g18780 ) обнаруживают дефекты в инициации корневых волосков и росте кончиков, причем степень тяжести зависит от природы мутации и двойного действия. мутантные гены-партнеры (Gilliland et al., 2002; Ringli et al., 2002).

PFN1 кодирует один из четырех актин-связывающих белков профилина Arabidopsis и экспрессируется в корневых волосках Arabidopsis (Huang et al., 1996). Трансгенные растения, сверхэкспрессирующие PFN1 , имеют корневые волоски, которые в два раза длиннее волос дикого типа, это указывает на то, что профилин является частью механизма, который контролирует количество происходящего роста кончиков корневых волосков (Ramachandran et al., 2000).

Семейство небольших модифицированных пептидов GLOVEN (GLV) включает двух членов ( GLV4: At3g02240 и GLV8: At3g02242 ), которые необходимы для полного удлинения корневых волосков (Fernandez et al., 2013). Хотя их точная биохимическая роль не ясна, возможно, что пептиды GLV4 и GLV8 участвуют в сигнальных событиях во время роста кончиков корневых волосков.

У растений, несущих мутации потери функции в генах RHD2, SHV1, SHV2, SHV3, и KJK , иногда образуются волоски, отрастающие на кончиках. Во всех этих случаях волосы короткие и деформированные, показывая, что все эти гены необходимы для нормального роста кончиков (Parker et al., 2000; Favery et al., 2001).Мутанты bst1, cen1, cen2, cen3, cow1, rhd3, scn1, tip1, и rhd4, также имеют короткие корневые волоски, поэтому эти гены также необходимы для того, чтобы волосы достигли своей обычной длины (Parker et al., 2000 ). См. Выше информацию о белках, кодируемых многими из этих генов (гиперссылка на «Гены, обеспечивающие рост кончиков» и «Гены, предотвращающие ветвление»).

Белок Sec1 KEULE ( KEU: At1g12360 ) участвует в секреторной движение на кончике растущего корневого волоса.Потеря функции Мутанты keule имеют отсутствующие или низкорослые, радиально опухшие корневые волоски (фиг. 19). Неясно, влияет ли KEULE на зарождение корневых волосков и / или рост кончиков, но вполне вероятно, что KEULE вносит вклад в развитие корневых волос, облегчая целевое слияние пузырьков (Assaad et al., 2001; Karnik et al. 2013). Некоторые другие гены влияют на форму волос таким образом, что это предполагает, что они также могут контролировать количество или расположение пузырьков, которые сливаются на растущем кончике. Волосы мутантов scn1, cen1, cen2 и cen3 часто изогнуты, что показывает, что эти гены необходимы для того, чтобы удлиняющаяся трубка оставалась прямой (Parker et al., 2000). Все мутанты rhd2–2, scn1, tip1 и cow1 имеют широкие волоски (Schiefelbein, Somerville, 1990; Parker et al., 2000), что позволяет предположить, что гены RHD2, SCN1, TIP1 и COW1 ограничивают область на кончике волос, где могут сливаться пузырьки. Волосы мутанта rhd3 имеют форму штопора (рис.19), потому что слияние пузырьков, по-видимому, происходит в точке, которая вращается вокруг краев растущего кончика, а не фокусируется в центре (Schiefelbein and Somerville, 1990; Galway et al., 1997). Волосы мутанта rhd4 имеют непостоянные диаметры (Рисунок 19) и участки толстой клеточной стенки, что позволяет предположить, что количество материала, который откладывается, изменяется по мере роста трубки, вызывая локальные сужения и расширения по длине волос (Schiefelbein and Somerville , 1990; Голуэй и др., 1999).

Удивительно, но световая сигнализация может влиять на длину корневых волосков. Мутации в генах PHYTOCHROME A ( PHYA: At1g09570 ) или PHYB (At2g18790) влияют на длину корневых волосков, выращиваемых на свету, показывая, что передача сигналов фитохрома может влиять на степень роста кончиков (Рид и другие., 1993; DeSimone et al., 2000).

Гены, родственные ауксину и этилену. Растительные гормоны ауксин и этилен действуют частично и независимо друг от друга, влияя на многие аспекты развития корневых волосков, как показано в дополнительной таблице 1 (tab.0172-table-1.docx) и на рисунке 16.

AXR2 (Nagpal et al., 2000) и AXR3 (Leyser et al., 1996) являются регуляторами транскрипции ауксин-чувствительных генов, которые влияют на инициацию корневых волосков. Распад белков AXR2 и AXR3 стимулируется ауксином (Gray et al.2001). Мутации в AXR2 и AXR3 , которые снижают ауксин-зависимую деградацию, снижают продукцию корневых волосков, предполагая, что для инициации корневых волосков необходимы ауксин-зависимые изменения экспрессии генов. Помимо инициирования корневых волосков, ауксин регулирует полярность клеток и тканей и, следовательно, расположение корневых волосков на клетках. Это было впервые отмечено у мутантов axr2–1 и rhd6 , у которых изменено как количество, так и расположение корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994).Нормальный участок появления волос восстанавливается для мутантов rhd6 обработкой ауксином (Masucci and Schiefelbein, 1994). Обработка мутантов rhd6 предшественником этилена также восстанавливает положение появления волос, вовлекая в этот процесс этилен. Это подтверждается мутантными фенотипами мутантов ETHYLENE RESPONSE 1 ( ETR1: At1g66340 ) и ETHYLENE OVERPRODUCER 1 ( ET01: At3g51770 ). Мутанты etr1 плохо воспринимают этилен, потому что у них поврежден рецептор этилена.Как и волосы rhd6 , волосы etr1 выходят ближе к базальному концу волосковой клетки. Растения eto1 производят больше этилена, чем дикого типа, и корневые волоски образуются ближе к апикальному концу клетки (Masucci and Schiefelbein, 1996). Гены, влияющие на транспорт ауксина, такие как AUXIN1 ( AUX1: At2g38120 ), который кодирует носитель притока ауксина, и GNOM (GN: At1g13980), который влияет на носителей оттока ауксина PIN, также изменяют расположение корневых волосков на клетки с корневыми волосками, образующимися ближе к концу клетки, где концентрация ауксина, вероятно, будет самой высокой (Fischer et al., 2006). Это говорит о том, что градиенты ауксина определяют, где на каждой клетке формируются корневые волоски. Формирование этих градиентов ауксина регулируется этиленом (Ikeda et al., 2009). Вычислительная модель, предполагающая, что активация ROP увеличивается за счет внутриклеточного ауксина, может учитывать расположение участков ROP и, следовательно, инициацию корневых волосков у различных видов дикого типа и мутантные растения (Payne, Grierson, 2009).

Ауксин и этилен продолжают вносить вклад в развитие корневых волосков после выбора места инициации.Фенотип мутантов rhd1 подавляется этиленом, вовлекая этилен в регуляцию синтеза стенки корневых волосковых клеток (Seifert et al., 2004). Доказательства роли ауксина в формировании роста кончиков носа получены от мутантов гена AUXIN RESISTANT 1 ( AXR1: At1g05180 ), которые вызывают образование некоторых корневых волосков, которые перестают расти после начала удлинения (Pitts et al., 1998). . AXR1 кодирует субъединицу фермента, активирующего RUB1, который необходим для расщепления белка, необходимого для ответов на ауксин.Сходным образом, предполагаемый компонент передачи этиленового сигнала ETHYLENE INSENSITIVE2 ( EIN2: At5g03280 ) необходим для корневых волосков полной длины (Pitts et al., 1998).

Растения с мутациями в генах AXR1, AXR2, и AUX1 имеют больше разветвленных волосков, чем растения дикого типа, что позволяет предположить, что передача сигналов ауксина участвует в механизмах, поддерживающих однонаправленный рост кончиков и предотвращающих ветвление.

Мутации в генах AXR1, ETR1 и AUX1 имеют короткие корневые волоски, поэтому эти гены необходимы корневым волоскам для достижения длины дикого типа (Pitts et al., 1998). Как обсуждалось выше, ETR1 кодирует рецептор этилена, AXR1 кодирует компонент механизма передачи сигналов ауксина, а AUX1 кодирует носитель притока ауксина, поэтому короткие волоски на etr1, axr1 и aux1 мутантных растений предполагают, что этилен и ауксин стимулируют удлинение (Pitts et al., 1998). В случае этилена это подтверждается фенотипом мутантов eto1 , которые синтезируют больше этилена и имеют более длинные корневые волоски, чем растения дикого типа (Pitts et al., 1998). Избыточная экспрессия переносчика оттока ауксина PIN или PIN-регулятора PINOID ( PID: At2g34650 ) снижает рост корневых волосков (Lee and Cho 2006; Cho et al., 2007), что согласуется с идеей, что внутриклеточный ауксин поддерживает рост. На уровни ауксина может влиять стриголактон, чтобы изменить длину корневых волосков (Kapulnik et al., 2011). Вычисление потока ауксина на основе количества и местоположения белков-носителей ауксина предполагает, что ауксин доставляется в развивающиеся корневые волосковые клетки соседними неволосковыми клетками, и что у мутантов aux1 и wer корневые волоски короткие, потому что ауксин поступает в развивающиеся клетки. корневые волоски преждевременно выходят из строя, сдерживая рост корневых волосков (Jones et al., 2009).

Ауксин и этилен, вероятно, через факторы транскрипции контролируют длину корневых волосков. ACC не увеличивает длину корневых волосков у мутантов с потерей функции белка цинковых пальцев C2h3 ZINC FINGER PROTEIN 5 ( ZPF5: At1g10480 ), что позволяет предположить, что этилен может стимулировать рост корневых волосков, активируя транскрипцию через ZPF5 (An и др., 2012). Манипулирование уровнями и стабильностью факторов транскрипции AUX / IAA AXR3 и SHY2 изменяет зарождение корневых волосков и длину корневых волосков (Knox et al.2003). Дальнейшие доказательства того, что ауксин действует на рост корневых волосков посредством механизма транскрипции, получены от мутантов, лишенных основного транскрипционного фактора спираль-петля-спираль RSL4, у которых ауксин не может стимулировать рост корневых волосков (Yi et al. 2010). Рисунок 20 суммирует эффекты передачи сигналов ауксина и этилена на фенотип корневых волосков.

Рисунок 20.

Роль передачи сигналов ауксина и этилена в росте корневых волосков.

Повышенная передача сигналов ауксина или этилена перемещает сайт инициации в более апикальное положение и увеличивает степень удлинения во время роста кончика.Снижение передачи сигналов ауксина или этилена имеет противоположный эффект.

Гены, влияющие на координацию прекращения роста кончиков. Один мутант влияет на координацию событий в конце роста кончика (гиперссылка на раздел о конце роста кончика выше ). Мутации в SUPPRESSOR OF AUXIN RESISTANCE1 ( SAR1: At1g33410 ) вызывают образование расширенных (жирных) кончиков на концах корневых волосков (рис. 16). SAR1 действует ниже AXR1 в ответе на ауксин, предполагая, что передача сигналов ауксина играет координирующую роль в конце роста корневых волосков (Cernac et al., 1997).

Корневые волоски — обзор

2.1.2 Слизь и экссудаты

Корневые волоски почти всех растений и пограничные клетки корневого чехлика выделяют слизь и экссудаты (M / E) в ризосферу почвы (Driouich et al. ., 2013; McNear, 2013; Zhang et al., 2011). После этого секретируемый M / E взаимодействует с наночастицами над семенной оболочкой (Yang et al., 2012), а также с поверхностью клеток или остатками некоторых видов фитопланктона (рис.3 и 4; Baldi et al., 1997; Bar-Zeev и другие., 2015; Тюфекчи и др., 2010). Слизь с высокой и низкой молекулярной массой, которая нерастворима и растворима по своей природе соответственно (McNear Jr, 2013; Walker et al., 2003), высокореактивный чувствительный материал защищает и иногда создает первые барьеры для поглощения НЧ растением. Таким образом, слизь и экссудаты энергично защищают клетки растений от окружающих стрессов, таких как механическое сопротивление и загрязненные металлы и т. Д. Они также повышают биодоступность и определяют основные питательные вещества и взаимодействуют с симбиотическими микроорганизмами (Driouich et al., 2013; Хавс и др., 2000; Mckenzie et al., 2013; McNear Jr, 2013). Первичный защитный механизм слизи и экссудатов зависит от размера наночастиц, их поверхностного покрытия и растворимости.

Рис. 4. Схематическое описание основного захвата, транслокации, экскреционных барьеров, путей и транспортных процессов наночастиц (НЧ) в растениях, как описано в литературе (Schwab et al., 2016). В ксилеме изменение цвета отражает изменение гидравлического потенциала: отрицательный для листьев и менее отрицательный для корней.Флоэма: переход цвета отражает высокую осмолярность листьев и низкую осмолярность корней. Сплошные линии — наблюдаемые процессы; пунктирными линиями отмечены другие возможные пути.

После поглощения наночастицы энергетически взаимодействуют со слизью и экссудатами внешней поверхности растения (Burkhardt et al., 2012; Cherchi et al., 2011; Driouich et al., 2013; Ma et al., 2011; Yang et al. ., 2012; Zhang et al., 2011, 2012). У наземных растений наночастицы часто накапливаются и накапливаются в основном рядом с поверхностью корней, кончиками корней, точнее, над корневой крышкой и волосками (пограничными клетками) (Al-Salim et al., 2011; Обер и др., 2012; Geisler-Lee et al., 2012; Гленн и др., 2012; Курепа и др., 2010; Ли и др., 2013; Наир и др., 2011; Наварро и др., 2012; Чжан и др., 2011, 2012; Чжао и др., 2012b; Чжу и др., 2008). Было обнаружено, что поглощение и поглощение наночастиц корневой системой является гибким: часть положительно, нейтрально и отрицательно заряженных частиц нанозолота, переносимая с поверхности корня (¼ адсорбируется на поверхности), составляет от 14% до 90% всей концентрации в корне. для риса, райграса многолетнего, редиса и тыквы (Zhu et al., 2012). Для огурца ( Cucumis sativus L.) Zhang et al. (2011) сообщили, что только 7,5–8,9% положительно заряженного нано- ¹⁴¹ CeO ₂ адсорбируется на поверхность корня после пяти промывок деионизированной водой. Было замечено, что наночастицы серебра накапливаются в слизистой оболочке и пограничных клетках Arabidopsis thaliana , что приводит к коричневому окрашиванию корневого чехлика (идеальный симптом взаимодействия нано-Ag). Обесцвеченный участок обычно можно увидеть невооруженным глазом (Geisler-Lee et al., 2012; Thuesombat et al., 2014). Это изменение цвета в основном является результатом осаждения из корневых покровов и кончиков корневых волосков исключительно из растений, обработанных NP. Когда эта обесцвеченная часть просматривается через конфокальную микроскопию в темном поле, она дает сигнал рассеяния, который характерен для электронно-плотных твердых частиц окрашенного материала (Geisler-Lee et al., 2012). Наночастицы, такие как нано-CeO ₂ , также образовывали агрегированные структуры при контакте со слизью.Zhang et al. (2011) сообщили об огромном количестве иммобилизованных наночастиц, образующих гелеобразное электронно-прозрачное вещество на периферическом слое корня корня, на основании исследования просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Слизь и экссудаты, выделяемые растениями или микроорганизмами, вызывают закисление ризосферы растений (Ma et al., 2011; Schaller et al., 2013), что способствует растворению наночастиц (Lv et al., 2015; Ma et al., 2011; Parsons et al., 2010; Vannini et al., 2014; Zhang et al., 2012). Добавление наночастиц и их накопление на поверхности корня (с помощью слизи) может привести к снижению транслокации от корня к побегу, что часто сопровождалось положительным поверхностным зарядом наночастиц (Zhu et al., 2012). С другой стороны, отрицательно заряженные нано-Au или квантовые точки (КТ) показали более высокую скорость переноса просто из-за меньшей коннотации с отрицательно заряженной частью эндоцитоза растения (Wang et al., 2014; Zhu et al., 2012) . Однако некоторые наночастицы, такие как суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION), могут перемещаться от корней к побегам независимо от их заряда (Ghafariyan et al., 2013). Также было замечено, что отрицательно заряженные наночастицы, например Ализарин Красный S, меченный нано-TiO ₂ , действительно интенсивно накапливается в толстой слизистой оболочке семян (Kurepa et al., 2010; Yang et al., 2012). Фракция наночастиц, которая взаимодействует с корнями, проходит через слизь, в основном, если поверхностный заряд отрицательный, как упоминалось выше, или если наночастицы сравнительно малы. Несколько типов наночастиц, таких как нано-Ag (<20 нм), обнаруженные с помощью ПЭМ и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ТЕМ-EDS), наряду с существующей слизью также наблюдались в клеточной стенке корневого чехлика (Geisler- Ли и др., 2012). Очевидно, слизь при прямом контакте с данной водой или почвой собирает большие порции наночастиц, которые имеют тенденцию уменьшать перемещение наночастиц между корнями и побегами и их дальнейшее проникновение в клетки. Слизь имеет относительно обычное защитное действие, в отличие от движения наночастиц через большое разнообразие наземных растений, размеров и покрытий наночастиц. Защитный эффект, по-видимому, охватывает, в частности, за некоторыми исключениями, против малого (Zhang et al., 2011) и положительно заряженных наночастиц (Zhang et al., 2011; Zhu et al., 2012).

4 лучших подъемника для корней

Что касается объема, я буквально перепробовал все: горячие ролики, бигуди на липучках, расчесывание, что угодно. Никакое количество дразнилки или завивки не может дать моим ультратонким волосам толчок без тонкой помощи лучших корневых лифтеров.

Однако, чтобы добиться желаемого результата, важно выбрать продукт, который хорошо сочетается с текстурой ваших волос. Например, если у вас тонкие волосы, мусс для увеличения объема может быть слишком тяжелым.Вместо этого вы можете выбрать легкий спрей или порошок, чтобы получить желаемый объем. С другой стороны, если у вас густые и кудрявые волосы, вы можете попробовать лосьон для увеличения объема, который также действует как кондиционер.

Вы также захотите подумать, предпочитаете ли вы использовать его на сухих или влажных волосах. Хотя лосьоны и муссы лучше всего подходят для влажных волос, пудры и определенные спреи обычно можно использовать как для влажных, так и для сухих волос, что делает их более универсальными.

Не знаете, какой продукт выбрать? Вот обзор нескольких высококачественных корневых подъемников, которые помогут вам сузить круг выбора.

Мы рекомендуем только те продукты, которые нам нравятся и которые, по нашему мнению, понравятся и вам. Мы можем получать часть продаж от продуктов, приобретенных по этой статье, написанной нашим коммерческим отделом.

1

Лучший в целом, все рассмотренные: лосьон для укладки феном John Frieda Root Booster

Этот лосьон для укрепления корней не только подтягивает корни, но и добавляет объема сверху вниз. Нижний. Формула создана по «технологии воздушного шелка», которая придает лосьону легкую, шелковистую текстуру, которая создает ощущение, будто в ваших волосах вообще ничего нет.Он даже достаточно легкий, чтобы разгладиться от макушки до кончиков, и, хотя он разработан как лосьон для сушки феном, вы также можете дать волосам высохнуть на воздухе и получить тот же эффект. Просто нанесите столько или меньше, сколько хотите, дайте ему высохнуть и наблюдайте, как ваши волосы буквально встают дыбом.

По словам одного рецензента: «Я использовал это около десяти лет (с тех пор, как он появился) на моих тонких, не густых, волнисто-кудрявых волосах. Я распыляю волосы во влажном состоянии и не сушу феном, но я все же приподнимаю корни пальцами, пока они мокрые.Мои волосы не падают на кожу головы сверху, пытаясь выглядеть как нелепый шлем. Пряди кажутся красивыми и разделенными и не слипаются, как обычно. Кроме этого продукта я не чувствую. Без липкости или заметного покрытия, без пудры ».

2

Лучшее средство: спрей для утолщения волос BOLDIFY

Он может быть немного дороже, но этот спрей для лифтинга корней имеет сверхлегкую формулу, которая служит текстуризатором волос для тонких прямых волос.Чтобы использовать, просто распыляйте прямо на влажные корни и дайте высохнуть на воздухе или сушить феном. Этот спрей делает ваши волосы мягкими и податливыми без твердой «оболочки», которую могут оставить другие продукты. Его формула также не содержит парабенов и сульфатов, поэтому вы можете спокойно распылять его на волосы.

По словам одного из рецензентов: «Мне нравится этот спрей для сгущения волос Boldify! У меня была некоторая потеря волос в дополнение к тонким прядям, но нормальным волосам. Этот продукт добавляет объем, не липнет и не утяжеляет мои волосы.И громкости хватает на весь день. Поднятие у корней и челка заставляет меня снова наслаждаться укладкой волос. СПАСИБО! »

3

Лучшая пудра: SEXYHAIR Big Powder Play Объемная и текстурирующая пудра

Эта пудра для корнеобразования обладает мощным эффектом при минимальном уходе. Во-первых, она творит чудеса с сухими волосами, поэтому вы можно использовать его между шампунями как для дополнительного объема, так и для впитывания масла (вроде как сухой шампунь). И хотя он имеет светло-белый цвет, этот порошок мгновенно становится полупрозрачным, когда вы смешиваете его с корнями, что делает его подходящим для любой цвет волос.

По словам одного из рецензентов: «Поместите его в корни волос, и он придаст вам объемный вид, который вы искали. Он также сделает ваши волосы мягкими и достаточно гладкими, чтобы их можно было провести пальцами».

4

Лучший мусс: Garnier Fructis Root Amp Root Lifting Spray Mousse

Этот мусс для увеличения объема — чудо для всех типов волос. Чтобы использовать, просто нанесите небольшую ложку на влажные волосы и вотрите прямо в корни.Затем высушите волосы феном, чтобы получить дополнительный объем в мгновение ока. В отличие от других муссов, этот продукт не оставляет налетов пленки, поэтому ваши локоны будут мягкими и свежими в течение всего дня. Кроме того, этот очень популярный мусс по цене менее 4 долларов — это настоящая воровка.

По словам одного рецензента: «У меня очень тонкие, вялые волосы — после промокания полотенцем я просто поднимаю волосы вверх (до плеч) и распыляю все участки на корни. Затем я массирую им все мои корни и волосы. Не оставляет на ваших волосах ощущения жирности или «товарного» вида — я провела 4 дня без мытья! Придает гораздо больше объема и подтяжки! Мне не удалось найти это в магазинах, так что какая отличная находка Здесь!»

Корневые волосы

Корневые волосы — это длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня.У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр около 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Cutter, 1978; Hofer, 1991).

Корневые волоски арабидопсиса привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они обеспечивают многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии.Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды. Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков.Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, растущих на определенных средах в чашках Петри (). Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, которые организованы в файлы, исходящие из кончика корня (). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса. Особое внимание уделяется недавним открытиям в области молекулярной генетики развития корневых волосков.

Спецификация корневых волосковых клеток

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки). Таким образом, начальный шаг в формировании корневого волоса — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, чтобы дифференцироваться как корневая волосковая клетка, а не как неволосковая клетка.Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня арабидопсиса образуется из набора из 16 начальных клеток, которые образуются во время эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Baum and Rost, 1996; см. Также главу о развитии корней в этом документе). книга). Эти инициалы называются инициалами эпидермального / бокового корня крышки, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же самом файле (Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность приводит к тому, что наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток варьируется от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Баум и Рост, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Galway et al. др., 1994). Клетки корневых волосков находятся за пределами межклеточного пространства между лежащими ниже кортикальными клетками (эпидермальные клетки, расположенные за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки; положение «H»), тогда как неволосковые клетки существуют над одной кортикальной клеткой (эпидермальные клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной стенки). клеточная стенка, позиция «N») ().Поскольку первичный корень Arabidopsis всегда содержит восемь файлов кортикальных клеток, имеется восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Galway et al., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Поперечный срез корня арабидопсиса, демонстрирующий зависящий от положения узор волосковых клеток и неволосковых клеток.Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток). На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Природа информации о формировании клеточного паттерна

Время и направленность предполагаемого позиционного сигнала (сигналов), который управляет судьбой эпидермальных клеток у Arabidopsis, в настоящее время неясны.Известно, что информация о формировании паттерна должна предоставляться на ранней стадии развития эпидермиса, потому что незрелые эпидермальные клетки, которым суждено стать корневыми волосковыми клетками (трихобластами), можно отличить от незрелых неволосковых клеток (атрихобластов) до того, как они отрастут. В частности, дифференцирующиеся корневые волосковые клетки демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкая скорость вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальный орнамент клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельные эпитопы клеточной стенки (Freshour et al., 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено недавним использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что означает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих начальных клетках ( Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998а).

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня. (A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм. (B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Наличие дифференциальной экспрессии генов в начальных клетках корневой меристемы привело к возможности того, что паттерн эпидермальных клеток может быть установлен во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (). GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров обнаруживается экспрессия в зависимости от позиции паттерна, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Лин и Шифельбейн, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевых корней для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к дифференцировке соответствующих постэмбриональных типов клеток.

Эмбриональная экспрессия слитого репортера GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Чтобы определить, предоставляется ли позиционная информация также эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали маркерные гены и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждой из этих серий экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2. Бар = 10 мкм.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций в линии J2301 удаляли специфические кортикальные клетки таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Molecular Genetics of Root Hair Cell Specification

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (;). Три из этих паттернирующих мутантов, оборотня ( wer ), прозрачного testa glabra ( ttg ) и glabra2 ( gl2 ), обладают корневыми волосками практически на каждой корневой эпидермальной клетке, что означает, что нормальный Роль генов WER , TTG и GL2 заключается либо в стимулировании дифференцировки неволосковых клеток, либо в подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina et al., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбайн, 1999). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть ранее действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов со спецификацией клеток. (A) Дикий тип. (B) Пример мутанта эктопических волос (wer). (C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc) .Bar = 500 мкм для всех изображений.

Таблица 1.

Гены Arabidopsis, контролирующие корневые эпидермальные клетки. Спецификация

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999).Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана у мутанта wer . В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихомов, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов.

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания роли TTG, известно, что мутаций ttg могут функционально дополняться экспрессией кДНК R кукурузы (под контролем сильного промотора 35S вируса мозаики цветной капусты) в Arabidopsis ( Ллойд и др., 1992; Голуэй и др., 1994). Эти данные указывают на то, что TTG, вероятно, активирует гомолог Arabidopsis кукурузы R (основной активатор транскрипции спираль-петля-спираль; Ludwig et al., 1989), чтобы специфицировать судьбу неволосковых клеток. Способность TTG взаимодействовать с GL3, белком bHLH Arabidopsis, в дрожжевом двугибридном анализе (Payne et al., 2000) предполагает, что активация включает взаимодействия белок-белок.

Ген GL2 кодирует гомеодоменный белок фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он преимущественно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематических и удлиненных областях корня (Masucci et al., 1996;). Как описано выше, экспрессия GL2 инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001). Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER и TTG , при этом мутации wer практически отменяют активность промотора GL2 и мутации ttg , вызывающие снижение активности промотора GL2 . (Hung et al., 1998; Ли и Шифельбейн, 1999; Лин и Шифельбейн, 2001). Соответствующий зависимый от положения клетки паттерн GL2 сохраняется в мутанте ttg , но не в мутанте wer , что подразумевает, что WER (но не TTG) требуется для определения позиционной информации для экспрессии GL2 . Взятые вместе, складывается картина, что WER, TTG и R-подобный белок bHLH начинают действовать на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в клетке. позиционно-зависимый способ указания типа неволосковых клеток.

Четвертый ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc продуцирует уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является позитивным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc , это указывает на то, что CPC действует в пути WER / TTG / GL2 как негативный регулятор GL2 .Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с Myb-подобным ДНК-связывающим доменом, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). Таким образом, CPC может ингибировать транскрипцию GL2, связываясь с его промотором и блокируя его активацию.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 1999;).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих факторов транскрипции, WER и CPC. Предполагается, что каждый из них обладает способностью образовывать комплекс с TTG и R-подобным белком bHLH. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в позиции N присутствует относительно высокий уровень WER, и это приводит к экспрессии GL2 (и, возможно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток.Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках, расположенных в положении H, существует относительно высокий уровень CPC, который приводит к репрессии GL2 и позволяет продолжаться дифференцировке волосковых клеток. В настоящее время неясно, устанавливается ли и каким образом относительная разница в уровнях WER и CPC в положениях N- и H-клеток.

Модель для определения типов корневых волосков и неволосовых клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть корневыми волосковыми клетками (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N).В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, а тупые линии указывают на отрицательное регулирование.

В дополнение к генам, описанным выше, с помощью мутации были определены другие локусы, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся мутанты roothairless ( rhl ) rhl1 , rhl2 и rhl3 , а также мутанты ectopic root hair ( erh ) erh1099 3, erh1099 / / и erh4 (Schneider et al., 1997), а также мутанты tornado ( trn ) trn1 и trn2 (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Ген RHL1 кодирует небольшой пионерный белок, локализованный в ядре, но он не регулирует GL2 , что позволяет предположить, что он действует в независимом генетическом пути, который определяет судьбу волосковых клеток (Schneider et al., 1998).

Ожидается, что гены спецификации клеток, описанные в этом разделе, будут влиять на экспрессию или активность генов / белков, которые контролируют процесс инициации корневых волосков. В настоящее время прямых мишеней для этих продуктов генов клеточной спецификации не выявлено. Существует несколько генов-кандидатов, таких как RHD6 и AXR2 , описанных далее в этой главе, которые, как известно, контролируют зарождение корневых волосков и, следовательно, могут регулироваться продуктами генов спецификации.

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между спецификацией клеток в корне и надземных тканях растения Arabidopsis. Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя эпидермальные клетки гипокотиля не производят корневых волосков, в гипокотиле Arabidopsis есть два отдельных файла эпидермальных клеток, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению H в эпидермисе корня. Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня претерпевают позиционно-зависимую клеточную дифференцировку, чтобы создать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах. Мутации wer , ttg и gl2 значительно изменяют формирование паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных вне периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER , GL2 и J2301 преимущественно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Ли и Шифельбейн, 1999 г.) (). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне и вне устьиц. клетки эпидермиса гипокотиля.

Экспрессия слитого репортера GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS, расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG и GL2 также влияют на образование трихомов в эпидермисе побегов Arabidopsis (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Larkin et al., 1997 ; см. также главу о трихомах в этой книге). Более того, ткани побега и корня используют функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GL1 (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001).Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом. Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки WER / GL1, TTG и GL2 противоположным образом контролируют образование эпидермальных волос в корне и листе.Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Хотя значение этого перекрытия корня / листа неясно, возможно, что TTG и GL2 представляют собой общие регуляторы транскрипции эпидермиса, которые были задействованы для участия в очень разных механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что этилен и ауксин способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток у Arabidopsis.Например, аминоэтоксивинилглицин (AVG, ингибитор биосинтеза этилена) или Ag + (ингибитор восприятия этилена) блокирует образование корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994; Tanimoto et al., 1995) и 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота. (ACC, предшественник этилена) индуцирует некоторые эктопические корневые волосковые клетки у Arabidopsis (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, предположительно негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993) вызывает образование корневых волосков на клетках эпидермиса, которые обычно лишены волос (Dolan et al., 1994). В соответствии с этим эпидермальные клетки в положении H более чувствительны к индуцирующим волосы эффектам этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня у мутантов карлика ( dwf ; ауксин-резистентный) и ауксин-резистентных2 ( axr2 ; ауксин, этилен и абсцизовая кислота) мутантов вовлекает ауксин в формирование корневых волосков (Mizra et al. ., 1984; Wilson et al., 1990). Наконец, безволосый мутантный фенотип rhd6 может быть подавлен включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в среду для выращивания (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны участвуют в развитии корневых волосков, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотор-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не регулирует путь TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что пути этилена и ауксина способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Тем не менее, мутации в генах AXR2 и RHD6 , связанных с этиленом и ауксином, уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены способствуют раннему установлению идентичности клеток.Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня. Одно из следствий этого предложения состоит в том, что новообразованные эпидермальные клетки в корне арабидопсиса можно изначально определить как трихобласт или атрихобласт (из-за действия пути WER / TTG / GL2 / CPC), хотя окончательный образец эпидермального на типы клеток могут влиять гормоны (возможно, регулируемые или связанные с влиянием факторов окружающей среды).

Корневые волосы

Корневые волосы — это длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня. У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр около 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Cutter, 1978; Hofer, 1991).

Корневые волоски арабидопсиса привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они обеспечивают многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии.Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды. Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков.Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, растущих на определенных средах в чашках Петри (). Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, которые организованы в файлы, исходящие из кончика корня (). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса. Особое внимание уделяется недавним открытиям в области молекулярной генетики развития корневых волосков.

Спецификация корневых волосковых клеток

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки). Таким образом, начальный шаг в формировании корневого волоса — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, чтобы дифференцироваться как корневая волосковая клетка, а не как неволосковая клетка.Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня арабидопсиса образуется из набора из 16 начальных клеток, которые образуются во время эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Baum and Rost, 1996; см. Также главу о развитии корней в этом документе). книга). Эти инициалы называются инициалами эпидермального / бокового корня крышки, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же самом файле (Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность приводит к тому, что наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток варьируется от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Баум и Рост, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Galway et al. др., 1994). Клетки корневых волосков находятся за пределами межклеточного пространства между лежащими ниже кортикальными клетками (эпидермальные клетки, расположенные за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки; положение «H»), тогда как неволосковые клетки существуют над одной кортикальной клеткой (эпидермальные клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной стенки). клеточная стенка, позиция «N») ().Поскольку первичный корень Arabidopsis всегда содержит восемь файлов кортикальных клеток, имеется восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Galway et al., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Поперечный срез корня арабидопсиса, демонстрирующий зависящий от положения узор волосковых клеток и неволосковых клеток.Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток). На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Природа информации о формировании клеточного паттерна

Время и направленность предполагаемого позиционного сигнала (сигналов), который управляет судьбой эпидермальных клеток у Arabidopsis, в настоящее время неясны.Известно, что информация о формировании паттерна должна предоставляться на ранней стадии развития эпидермиса, потому что незрелые эпидермальные клетки, которым суждено стать корневыми волосковыми клетками (трихобластами), можно отличить от незрелых неволосковых клеток (атрихобластов) до того, как они отрастут. В частности, дифференцирующиеся корневые волосковые клетки демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкая скорость вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальный орнамент клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельные эпитопы клеточной стенки (Freshour et al., 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено недавним использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что означает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих начальных клетках ( Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998а).

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня. (A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм. (B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Наличие дифференциальной экспрессии генов в начальных клетках корневой меристемы привело к возможности того, что паттерн эпидермальных клеток может быть установлен во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (). GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров обнаруживается экспрессия в зависимости от позиции паттерна, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Лин и Шифельбейн, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевых корней для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к дифференцировке соответствующих постэмбриональных типов клеток.

Эмбриональная экспрессия слитого репортера GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Чтобы определить, предоставляется ли позиционная информация также эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали маркерные гены и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждой из этих серий экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2. Бар = 10 мкм.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций в линии J2301 удаляли специфические кортикальные клетки таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Molecular Genetics of Root Hair Cell Specification

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (;). Три из этих паттернирующих мутантов, оборотня ( wer ), прозрачного testa glabra ( ttg ) и glabra2 ( gl2 ), обладают корневыми волосками практически на каждой корневой эпидермальной клетке, что означает, что нормальный Роль генов WER , TTG и GL2 заключается либо в стимулировании дифференцировки неволосковых клеток, либо в подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina et al., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбайн, 1999). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть ранее действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов со спецификацией клеток. (A) Дикий тип. (B) Пример мутанта эктопических волос (wer). (C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc) .Bar = 500 мкм для всех изображений.

Таблица 1.

Гены Arabidopsis, контролирующие корневые эпидермальные клетки. Спецификация

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999).Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана у мутанта wer . В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихомов, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов.

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания роли TTG, известно, что мутаций ttg могут функционально дополняться экспрессией кДНК R кукурузы (под контролем сильного промотора 35S вируса мозаики цветной капусты) в Arabidopsis ( Ллойд и др., 1992; Голуэй и др., 1994). Эти данные указывают на то, что TTG, вероятно, активирует гомолог Arabidopsis кукурузы R (основной активатор транскрипции спираль-петля-спираль; Ludwig et al., 1989), чтобы специфицировать судьбу неволосковых клеток. Способность TTG взаимодействовать с GL3, белком bHLH Arabidopsis, в дрожжевом двугибридном анализе (Payne et al., 2000) предполагает, что активация включает взаимодействия белок-белок.

Ген GL2 кодирует гомеодоменный белок фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он преимущественно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематических и удлиненных областях корня (Masucci et al., 1996;). Как описано выше, экспрессия GL2 инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001). Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER и TTG , при этом мутации wer практически отменяют активность промотора GL2 и мутации ttg , вызывающие снижение активности промотора GL2 . (Hung et al., 1998; Ли и Шифельбейн, 1999; Лин и Шифельбейн, 2001). Соответствующий зависимый от положения клетки паттерн GL2 сохраняется в мутанте ttg , но не в мутанте wer , что подразумевает, что WER (но не TTG) требуется для определения позиционной информации для экспрессии GL2 . Взятые вместе, складывается картина, что WER, TTG и R-подобный белок bHLH начинают действовать на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в клетке. позиционно-зависимый способ указания типа неволосковых клеток.

Четвертый ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc продуцирует уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является позитивным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc , это указывает на то, что CPC действует в пути WER / TTG / GL2 как негативный регулятор GL2 .Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с Myb-подобным ДНК-связывающим доменом, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). Таким образом, CPC может ингибировать транскрипцию GL2, связываясь с его промотором и блокируя его активацию.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 1999;).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих факторов транскрипции, WER и CPC. Предполагается, что каждый из них обладает способностью образовывать комплекс с TTG и R-подобным белком bHLH. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в позиции N присутствует относительно высокий уровень WER, и это приводит к экспрессии GL2 (и, возможно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток.Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках, расположенных в положении H, существует относительно высокий уровень CPC, который приводит к репрессии GL2 и позволяет продолжаться дифференцировке волосковых клеток. В настоящее время неясно, устанавливается ли и каким образом относительная разница в уровнях WER и CPC в положениях N- и H-клеток.

Модель для определения типов корневых волосков и неволосовых клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть корневыми волосковыми клетками (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N).В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, а тупые линии указывают на отрицательное регулирование.

В дополнение к генам, описанным выше, с помощью мутации были определены другие локусы, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся мутанты roothairless ( rhl ) rhl1 , rhl2 и rhl3 , а также мутанты ectopic root hair ( erh ) erh1099 3, erh1099 / / и erh4 (Schneider et al., 1997), а также мутанты tornado ( trn ) trn1 и trn2 (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Ген RHL1 кодирует небольшой пионерный белок, локализованный в ядре, но он не регулирует GL2 , что позволяет предположить, что он действует в независимом генетическом пути, который определяет судьбу волосковых клеток (Schneider et al., 1998).

Ожидается, что гены спецификации клеток, описанные в этом разделе, будут влиять на экспрессию или активность генов / белков, которые контролируют процесс инициации корневых волосков. В настоящее время прямых мишеней для этих продуктов генов клеточной спецификации не выявлено. Существует несколько генов-кандидатов, таких как RHD6 и AXR2 , описанных далее в этой главе, которые, как известно, контролируют зарождение корневых волосков и, следовательно, могут регулироваться продуктами генов спецификации.

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между спецификацией клеток в корне и надземных тканях растения Arabidopsis. Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя эпидермальные клетки гипокотиля не производят корневых волосков, в гипокотиле Arabidopsis есть два отдельных файла эпидермальных клеток, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению H в эпидермисе корня. Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня претерпевают позиционно-зависимую клеточную дифференцировку, чтобы создать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах. Мутации wer , ttg и gl2 значительно изменяют формирование паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных вне периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER , GL2 и J2301 преимущественно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Ли и Шифельбейн, 1999 г.) (). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне и вне устьиц. клетки эпидермиса гипокотиля.

Экспрессия слитого репортера GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS, расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG и GL2 также влияют на образование трихомов в эпидермисе побегов Arabidopsis (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Larkin et al., 1997 ; см. также главу о трихомах в этой книге). Более того, ткани побега и корня используют функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GL1 (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001).Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом. Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки WER / GL1, TTG и GL2 противоположным образом контролируют образование эпидермальных волос в корне и листе.Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Хотя значение этого перекрытия корня / листа неясно, возможно, что TTG и GL2 представляют собой общие регуляторы транскрипции эпидермиса, которые были задействованы для участия в очень разных механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что этилен и ауксин способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток у Arabidopsis.Например, аминоэтоксивинилглицин (AVG, ингибитор биосинтеза этилена) или Ag + (ингибитор восприятия этилена) блокирует образование корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994; Tanimoto et al., 1995) и 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота. (ACC, предшественник этилена) индуцирует некоторые эктопические корневые волосковые клетки у Arabidopsis (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, предположительно негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993) вызывает образование корневых волосков на клетках эпидермиса, которые обычно лишены волос (Dolan et al., 1994). В соответствии с этим эпидермальные клетки в положении H более чувствительны к индуцирующим волосы эффектам этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня у мутантов карлика ( dwf ; ауксин-резистентный) и ауксин-резистентных2 ( axr2 ; ауксин, этилен и абсцизовая кислота) мутантов вовлекает ауксин в формирование корневых волосков (Mizra et al. ., 1984; Wilson et al., 1990). Наконец, безволосый мутантный фенотип rhd6 может быть подавлен включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в среду для выращивания (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны участвуют в развитии корневых волосков, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотор-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не регулирует путь TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что пути этилена и ауксина способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Тем не менее, мутации в генах AXR2 и RHD6 , связанных с этиленом и ауксином, уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены способствуют раннему установлению идентичности клеток.Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня. Одно из следствий этого предложения состоит в том, что новообразованные эпидермальные клетки в корне арабидопсиса можно изначально определить как трихобласт или атрихобласт (из-за действия пути WER / TTG / GL2 / CPC), хотя окончательный образец эпидермального на типы клеток могут влиять гормоны (возможно, регулируемые или связанные с влиянием факторов окружающей среды).

Корневые волосы

Корневые волосы — это длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня. У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр около 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Cutter, 1978; Hofer, 1991).

Корневые волоски арабидопсиса привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они обеспечивают многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии.Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды. Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков.Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, растущих на определенных средах в чашках Петри (). Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, которые организованы в файлы, исходящие из кончика корня (). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса. Особое внимание уделяется недавним открытиям в области молекулярной генетики развития корневых волосков.

Спецификация корневых волосковых клеток

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки). Таким образом, начальный шаг в формировании корневого волоса — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, чтобы дифференцироваться как корневая волосковая клетка, а не как неволосковая клетка.Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня арабидопсиса образуется из набора из 16 начальных клеток, которые образуются во время эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Baum and Rost, 1996; см. Также главу о развитии корней в этом документе). книга). Эти инициалы называются инициалами эпидермального / бокового корня крышки, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же самом файле (Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность приводит к тому, что наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток варьируется от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Баум и Рост, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Galway et al. др., 1994). Клетки корневых волосков находятся за пределами межклеточного пространства между лежащими ниже кортикальными клетками (эпидермальные клетки, расположенные за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки; положение «H»), тогда как неволосковые клетки существуют над одной кортикальной клеткой (эпидермальные клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной стенки). клеточная стенка, позиция «N») ().Поскольку первичный корень Arabidopsis всегда содержит восемь файлов кортикальных клеток, имеется восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Galway et al., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Поперечный срез корня арабидопсиса, демонстрирующий зависящий от положения узор волосковых клеток и неволосковых клеток.Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток). На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Природа информации о формировании клеточного паттерна

Время и направленность предполагаемого позиционного сигнала (сигналов), который управляет судьбой эпидермальных клеток у Arabidopsis, в настоящее время неясны.Известно, что информация о формировании паттерна должна предоставляться на ранней стадии развития эпидермиса, потому что незрелые эпидермальные клетки, которым суждено стать корневыми волосковыми клетками (трихобластами), можно отличить от незрелых неволосковых клеток (атрихобластов) до того, как они отрастут. В частности, дифференцирующиеся корневые волосковые клетки демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкая скорость вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальный орнамент клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельные эпитопы клеточной стенки (Freshour et al., 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено недавним использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что означает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих начальных клетках ( Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998а).

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня. (A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм. (B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Наличие дифференциальной экспрессии генов в начальных клетках корневой меристемы привело к возможности того, что паттерн эпидермальных клеток может быть установлен во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (). GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров обнаруживается экспрессия в зависимости от позиции паттерна, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Лин и Шифельбейн, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевых корней для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к дифференцировке соответствующих постэмбриональных типов клеток.

Эмбриональная экспрессия слитого репортера GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Чтобы определить, предоставляется ли позиционная информация также эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали маркерные гены и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждой из этих серий экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2. Бар = 10 мкм.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций в линии J2301 удаляли специфические кортикальные клетки таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Molecular Genetics of Root Hair Cell Specification

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (;). Три из этих паттернирующих мутантов, оборотня ( wer ), прозрачного testa glabra ( ttg ) и glabra2 ( gl2 ), обладают корневыми волосками практически на каждой корневой эпидермальной клетке, что означает, что нормальный Роль генов WER , TTG и GL2 заключается либо в стимулировании дифференцировки неволосковых клеток, либо в подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina et al., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбайн, 1999). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть ранее действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов со спецификацией клеток. (A) Дикий тип. (B) Пример мутанта эктопических волос (wer). (C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc) .Bar = 500 мкм для всех изображений.

Таблица 1.

Гены Arabidopsis, контролирующие корневые эпидермальные клетки. Спецификация

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999).Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана у мутанта wer . В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихомов, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов.

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания роли TTG, известно, что мутаций ttg могут функционально дополняться экспрессией кДНК R кукурузы (под контролем сильного промотора 35S вируса мозаики цветной капусты) в Arabidopsis ( Ллойд и др., 1992; Голуэй и др., 1994). Эти данные указывают на то, что TTG, вероятно, активирует гомолог Arabidopsis кукурузы R (основной активатор транскрипции спираль-петля-спираль; Ludwig et al., 1989), чтобы специфицировать судьбу неволосковых клеток. Способность TTG взаимодействовать с GL3, белком bHLH Arabidopsis, в дрожжевом двугибридном анализе (Payne et al., 2000) предполагает, что активация включает взаимодействия белок-белок.

Ген GL2 кодирует гомеодоменный белок фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он преимущественно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематических и удлиненных областях корня (Masucci et al., 1996;). Как описано выше, экспрессия GL2 инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001). Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER и TTG , при этом мутации wer практически отменяют активность промотора GL2 и мутации ttg , вызывающие снижение активности промотора GL2 . (Hung et al., 1998; Ли и Шифельбейн, 1999; Лин и Шифельбейн, 2001). Соответствующий зависимый от положения клетки паттерн GL2 сохраняется в мутанте ttg , но не в мутанте wer , что подразумевает, что WER (но не TTG) требуется для определения позиционной информации для экспрессии GL2 . Взятые вместе, складывается картина, что WER, TTG и R-подобный белок bHLH начинают действовать на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в клетке. позиционно-зависимый способ указания типа неволосковых клеток.

Четвертый ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc продуцирует уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является позитивным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc , это указывает на то, что CPC действует в пути WER / TTG / GL2 как негативный регулятор GL2 .Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с Myb-подобным ДНК-связывающим доменом, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). Таким образом, CPC может ингибировать транскрипцию GL2, связываясь с его промотором и блокируя его активацию.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 1999;).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих факторов транскрипции, WER и CPC. Предполагается, что каждый из них обладает способностью образовывать комплекс с TTG и R-подобным белком bHLH. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в позиции N присутствует относительно высокий уровень WER, и это приводит к экспрессии GL2 (и, возможно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток.Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках, расположенных в положении H, существует относительно высокий уровень CPC, который приводит к репрессии GL2 и позволяет продолжаться дифференцировке волосковых клеток. В настоящее время неясно, устанавливается ли и каким образом относительная разница в уровнях WER и CPC в положениях N- и H-клеток.

Модель для определения типов корневых волосков и неволосовых клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть корневыми волосковыми клетками (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N).В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, а тупые линии указывают на отрицательное регулирование.

В дополнение к генам, описанным выше, с помощью мутации были определены другие локусы, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся мутанты roothairless ( rhl ) rhl1 , rhl2 и rhl3 , а также мутанты ectopic root hair ( erh ) erh1099 3, erh1099 / / и erh4 (Schneider et al., 1997), а также мутанты tornado ( trn ) trn1 и trn2 (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Ген RHL1 кодирует небольшой пионерный белок, локализованный в ядре, но он не регулирует GL2 , что позволяет предположить, что он действует в независимом генетическом пути, который определяет судьбу волосковых клеток (Schneider et al., 1998).

Ожидается, что гены спецификации клеток, описанные в этом разделе, будут влиять на экспрессию или активность генов / белков, которые контролируют процесс инициации корневых волосков. В настоящее время прямых мишеней для этих продуктов генов клеточной спецификации не выявлено. Существует несколько генов-кандидатов, таких как RHD6 и AXR2 , описанных далее в этой главе, которые, как известно, контролируют зарождение корневых волосков и, следовательно, могут регулироваться продуктами генов спецификации.

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между спецификацией клеток в корне и надземных тканях растения Arabidopsis. Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя эпидермальные клетки гипокотиля не производят корневых волосков, в гипокотиле Arabidopsis есть два отдельных файла эпидермальных клеток, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению H в эпидермисе корня. Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня претерпевают позиционно-зависимую клеточную дифференцировку, чтобы создать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах. Мутации wer , ttg и gl2 значительно изменяют формирование паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных вне периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER , GL2 и J2301 преимущественно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Ли и Шифельбейн, 1999 г.) (). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне и вне устьиц. клетки эпидермиса гипокотиля.

Экспрессия слитого репортера GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS, расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG и GL2 также влияют на образование трихомов в эпидермисе побегов Arabidopsis (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Larkin et al., 1997 ; см. также главу о трихомах в этой книге). Более того, ткани побега и корня используют функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GL1 (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001).Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом. Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки WER / GL1, TTG и GL2 противоположным образом контролируют образование эпидермальных волос в корне и листе.Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Хотя значение этого перекрытия корня / листа неясно, возможно, что TTG и GL2 представляют собой общие регуляторы транскрипции эпидермиса, которые были задействованы для участия в очень разных механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что этилен и ауксин способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток у Arabidopsis.Например, аминоэтоксивинилглицин (AVG, ингибитор биосинтеза этилена) или Ag + (ингибитор восприятия этилена) блокирует образование корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994; Tanimoto et al., 1995) и 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота. (ACC, предшественник этилена) индуцирует некоторые эктопические корневые волосковые клетки у Arabidopsis (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, предположительно негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993) вызывает образование корневых волосков на клетках эпидермиса, которые обычно лишены волос (Dolan et al., 1994). В соответствии с этим эпидермальные клетки в положении H более чувствительны к индуцирующим волосы эффектам этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня у мутантов карлика ( dwf ; ауксин-резистентный) и ауксин-резистентных2 ( axr2 ; ауксин, этилен и абсцизовая кислота) мутантов вовлекает ауксин в формирование корневых волосков (Mizra et al. ., 1984; Wilson et al., 1990). Наконец, безволосый мутантный фенотип rhd6 может быть подавлен включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в среду для выращивания (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны участвуют в развитии корневых волосков, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотор-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не регулирует путь TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что пути этилена и ауксина способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Тем не менее, мутации в генах AXR2 и RHD6 , связанных с этиленом и ауксином, уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены способствуют раннему установлению идентичности клеток.Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня. Одно из следствий этого предложения состоит в том, что новообразованные эпидермальные клетки в корне арабидопсиса можно изначально определить как трихобласт или атрихобласт (из-за действия пути WER / TTG / GL2 / CPC), хотя окончательный образец эпидермального на типы клеток могут влиять гормоны (возможно, регулируемые или связанные с влиянием факторов окружающей среды).

Корневые волосы

Корневые волосы — это длинные трубчатые выросты из клеток эпидермиса корня. У Arabidopsis корневые волоски имеют диаметр около 10 мкм и могут вырастать до 1 мм и более в длину (). Поскольку они значительно увеличивают площадь поверхности корня и эффективно увеличивают диаметр корня, обычно считается, что корневые волоски помогают растениям усваивать питательные вещества, закрепляться и взаимодействовать с микробами (Cutter, 1978; Hofer, 1991).

Корневые волоски арабидопсиса привлекли большое внимание биологов растений, поскольку они обеспечивают многочисленные преимущества для фундаментальных исследований развития, клеточной биологии и физиологии.Наличие корневых волосков на поверхности корня и вдали от тела растения означает, что они легко визуализируются и доступны для множества экспериментальных манипуляций. Кроме того, отсутствие слоя кутикулы позволяет легко наносить физические и химические зонды. Корневые волоски растут быстро, со скоростью более 1 мкм / мин, что облегчает исследования роста клеток. Возможно, наиболее важно то, что корневые волоски не важны для жизнеспособности растений, что позволяет извлекать и анализировать все типы мутантов, которые изменяют развитие и функцию корневых волосков.Кроме того, корневые волоски становятся видимыми на корнях проростков вскоре после прорастания семян, что позволяет быстро проводить генетический скрининг и физиологические тесты с большим количеством особей, растущих на определенных средах в чашках Петри (). Наконец, развитие корневых волосков (и их резидентных эпидермальных клеток) происходит предсказуемым и прогрессивным образом в клетках, которые организованы в файлы, исходящие из кончика корня (). Это дает возможность детального анализа клеточных изменений, происходящих в течение всего процесса формирования корневых волосков.

В этой главе дается краткое описание развития, структуры и функции корневых волосков арабидопсиса. Особое внимание уделяется недавним открытиям в области молекулярной генетики развития корневых волосков.

Спецификация корневых волосковых клеток

Структура эпидермальных клеток в корне

У арабидопсиса эпидермальные клетки, производящие корневые волоски (корневые волосковые клетки), перемежаются с клетками, у которых отсутствуют корневые волоски (неволосковые клетки). Таким образом, начальный шаг в формировании корневого волоса — это спецификация вновь образованной эпидермальной клетки, чтобы дифференцироваться как корневая волосковая клетка, а не как неволосковая клетка.Этот процесс интенсивно изучается в течение последних нескольких лет, поскольку он служит простой моделью для понимания регуляции формирования клеточного типа у растений.

Эпидермис корня арабидопсиса образуется из набора из 16 начальных клеток, которые образуются во время эмбриогенеза (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994; Baum and Rost, 1996; см. Также главу о развитии корней в этом документе). книга). Эти инициалы называются инициалами эпидермального / бокового корня крышки, потому что они также дают начало клеткам крышки бокового корня (Dolan et al., 1993; Scheres et al., 1994). Непосредственные эпидермальные дочерние клетки, полученные из этих инициалов, подвергаются вторичным поперечным делениям в меристематической области корня, и эти деления (обычно 5 или 6 циклов на дочернюю клетку) служат для образования дополнительных клеток в том же самом файле (Baum and Rost, 1996; Berger et al., 1998b). Более того, иногда происходят антиклинальные продольные деления, которые приводят к увеличению числа файлов эпидермальных клеток; эта активность приводит к тому, что наблюдаемое количество файлов эпидермальных клеток варьируется от 18 до 22 (Galway et al., 1994; Баум и Рост, 1996; Berger et al., 1998b). Эпидермальные клетки симпластически связаны на протяжении большей части своего развития (Duckett et al., 1994).

Корневой эпидермис Arabidopsis, как и другие члены семейства Brassicaceae, обладает четко выраженным позиционно-зависимым паттерном корневых волосковых клеток и неволосковых клеток (Cormack, 1935; Bunning, 1951; Dolan et al., 1994; Galway et al. др., 1994). Клетки корневых волосков находятся за пределами межклеточного пространства между лежащими ниже кортикальными клетками (эпидермальные клетки, расположенные за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки; положение «H»), тогда как неволосковые клетки существуют над одной кортикальной клеткой (эпидермальные клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной стенки). клеточная стенка, позиция «N») ().Поскольку первичный корень Arabidopsis всегда содержит восемь файлов кортикальных клеток, имеется восемь файлов корневых волосковых клеток и примерно от 10 до 14 файлов неволосковых клеток (Dolan et al., 1994; Galway et al., 1994). Простая корреляция между положением клетки и дифференцировкой по типу клеток подразумевает, что события межклеточной коммуникации имеют решающее значение для установления идентичности клеток в корневом эпидермисе.

Поперечный срез корня арабидопсиса, демонстрирующий зависящий от положения узор волосковых клеток и неволосковых клеток.Волосковые клетки расположены вне пространства, разделяющего две кортикальные клетки (положение H-клеток), тогда как неволосковые клетки расположены вне одной кортикальной клетки (положение N-клеток). На этом участке видны три волоска; другие клетки в позиции H имеют волоски, которые находятся вне поля зрения.

Природа информации о формировании клеточного паттерна

Время и направленность предполагаемого позиционного сигнала (сигналов), который управляет судьбой эпидермальных клеток у Arabidopsis, в настоящее время неясны.Известно, что информация о формировании паттерна должна предоставляться на ранней стадии развития эпидермиса, потому что незрелые эпидермальные клетки, которым суждено стать корневыми волосковыми клетками (трихобластами), можно отличить от незрелых неволосковых клеток (атрихобластов) до того, как они отрастут. В частности, дифференцирующиеся корневые волосковые клетки демонстрируют более высокую скорость деления клеток (Berger et al., 1998b), меньшую длину клетки (Dolan et al., 1994; Masucci et al., 1996), большую плотность цитоплазмы (Dolan et al., al., 1994; Galway et al., 1994), более низкая скорость вакуолизации (Galway et al., 1994), уникальный орнамент клеточной поверхности (Dolan et al., 1994) и отдельные эпитопы клеточной стенки (Freshour et al., 1996).

Более точное понимание времени формирования информации о паттерне было обеспечено недавним использованием двух слияний репортерных генов, генной конструкции GLABRA2 ( GL2 ) (Masucci et al., 1996; Lin and Schiefelbein, 2001) и конструкция GFP, улавливающая энхансер (линия J2301; Berger et al., 1998c). Каждый из этих репортеров экспрессируется в позиции N-клеток (эпидермальные клетки, расположенные вне периклинальной клеточной стенки коры) в меристематической области корня (). Тщательное исследование с использованием этих чувствительных репортеров выявляет зависимую от положения экспрессию генов внутри или только на одну клетку за пределами инициалов эпидермального / бокового корня, что означает, что информация о формировании паттерна может быть предоставлена ​​(и судьбы клеток начинают определяться) в этих начальных клетках ( Masucci et al., 1996; Berger et al., 1998а).

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS во время развития корня. (A) Вид поверхности, показывающий преимущественное выражение в меристематической области. Пруток = 50 мкм. (B) Поперечный разрез, показывающий предпочтительную экспрессию в N-клеточном положении эпидермиса. Пруток = 20 мкм.

Наличие дифференциальной экспрессии генов в начальных клетках корневой меристемы привело к возможности того, что паттерн эпидермальных клеток может быть установлен во время эмбриогенеза, когда формируются основная структура корня и инициалы меристемы (Scheres et al., 1994). Действительно, анализ репортеров GFP, улавливающих энхансер J2301 (Berger et al., 1998a) и GL2 :: GFP (Lin and Schiefelbein, 2001), показывает, что паттерн спецификации эпидермальных клеток устанавливается во время развития корня эмбриона у Arabidopsis. (). GL2 :: GFP обнаруживает самую раннюю экспрессию, начиная с ранней стадии сердца, которая предшествует формированию корневой меристемы. Для каждого из этих репортеров обнаруживается экспрессия в зависимости от позиции паттерна, который отражает постэмбриональный паттерн (Berger et al., 1998a; Лин и Шифельбейн, 2001). Таким образом, оказывается, что позиционная информация предоставляется во время развития зародышевых корней для установления правильного паттерна активности генов, что в конечном итоге приводит к дифференцировке соответствующих постэмбриональных типов клеток.

Эмбриональная экспрессия слитого репортера GL2 :: GFP в эмбрионе на стадии торпеды. Этот средний продольный вид показывает накопление GFP в протодермальных клетках будущего гипокотиля и корня.

Чтобы определить, предоставляется ли позиционная информация также эпидермальным клеткам постэмбрионально, было проведено два вида экспериментов.В одном из них был проведен подробный анализ специфических клонов эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). Изученные клоны были клонами, полученными из редких постэмбриональных продольных делений эпидермальных клеток, в результате чего две полученные дочерние клетки занимают разные положения относительно нижележащих кортикальных клеток. Клетки в этих клонах экспрессировали маркерные гены и проявляли клеточные характеристики, соответствующие их новому положению (). Во второй серии экспериментов специфические дифференцирующиеся эпидермальные клетки были подвергнуты лазерной абляции, так что соседние эпидермальные клетки смогли вторгнуться в доступное пространство (Berger et al., 1998а). Независимо от исходного состояния удаленной клетки или инвазивной клетки (трихобласта или атрихобласта), окончательные характеристики инвазивной клетки почти всегда определялись ее новым местоположением, а не старым. Следовательно, в каждой из этих серий экспериментов клетки эффективно претерпевали постэмбриональные изменения своего положения и, в ответ, демонстрировали изменение своей судьбы в процессе развития. Это предполагает, что позиционная информация предоставляется постэмбрионально, а не только эмбрионально, чтобы гарантировать соответствующую спецификацию клеток в эпидермисе корня Arabidopsis.

Экспрессия слияния репортера GL2 :: GUS в клоне эпидермальных клеток, полученном в результате редкого продольного деления. Обратите внимание, что только один набор клеток в клоне экспрессирует маркер GL2. Бар = 10 мкм.

Лазерная абляция специфических клеток также предоставила понимание направленности позиционных сигналов, которые определяют типы эпидермальных клеток (Berger et al., 1998a). В одной серии экспериментов растения, несущие репортер GFP-ловушки энхансера J2301, подвергали абляции, в ходе которой незрелые эпидермальные клетки выделяли от их соседей в том же файле или в соседних файлах.Почти в каждом случае изолированные клетки, которые потеряли контакт со своими эпидермальными соседями, сохраняли ту же экспрессию репортерного гена и дифференцировались в соответствии с их исходным положением (Berger et al., 1998a). Во втором наборе клеточных абляций в линии J2301 удаляли специфические кортикальные клетки таким образом, чтобы были изолированы вышележащие незрелые эпидермальные клетки. Независимо от исходного состояния изолированной эпидермальной клетки (трихобласта или атрихобласта), удаление нижележащих кортикальных клеток не повлияло на их будущую экспрессию или морфогенез GFP (Berger et al., 1998а). Эти результаты предполагают, что непрерывная передача сигналов между живыми кортикальными и / или эпидермальными клетками не требуется для поддержания правильного решения судьбы клеток. Однако до сих пор неясно, может ли передача сигналов между кортикальными и эпидермальными клетками необходима для установления судьбы клеток.

Molecular Genetics of Root Hair Cell Specification

Несколько мутантов были идентифицированы у Arabidopsis, которые обладают нарушенной структурой типов корневых эпидермальных клеток (;). Три из этих паттернирующих мутантов, оборотня ( wer ), прозрачного testa glabra ( ttg ) и glabra2 ( gl2 ), обладают корневыми волосками практически на каждой корневой эпидермальной клетке, что означает, что нормальный Роль генов WER , TTG и GL2 заключается либо в стимулировании дифференцировки неволосковых клеток, либо в подавлении дифференцировки корневых волосковых клеток (Galway et al., 1994; DiCristina et al., 1996; Masucci et al., 1996; Ли и Шифельбайн, 1999). Эти мутации различаются по своим специфическим эффектам на дифференцировку неволосковых клеток; мутации wer и ttg изменяют все аспекты дифференцировки без волос (включая скорость деления клеток, плотность цитоплазмы и скорость вакуолизации), тогда как мутации gl2 влияют только на конечную морфологию клеток и не влияют на более ранние клеточные фенотипы (Galway et al., 1994; Masucci et al., 1996; Бергер и др., 1998b; Ли и Шифельбайн, 1999). Таким образом, WER и TTG могут быть ранее действующими компонентами, необходимыми для позиционно-зависимой дифференцировки волосковых клеток.

Образование корневых волосков у мутантов дикого типа и мутантов со спецификацией клеток. (A) Дикий тип. (B) Пример мутанта эктопических волос (wer). (C) Пример мутанта с уменьшенным количеством волос (cpc) .Bar = 500 мкм для всех изображений.

Таблица 1.

Гены Arabidopsis, контролирующие корневые эпидермальные клетки. Спецификация

Ген WER кодирует фактор транскрипции MYB класса R2-R3 (Lee and Schiefelbein, 1999).Он предпочтительно экспрессируется в развивающихся эпидермальных клетках в положении N, которые представляют собой клетки, судьба которых неверно указана у мутанта wer . В отличие от TTG и GL2 , ген WER не влияет на развитие трихомов, слизистую оболочку семян или продукцию антоцианов.

Ген TTG кодирует небольшой белок с повторами WD40 (Walker et al., 1999). Хотя последовательность белка не дает четкого механистического понимания роли TTG, известно, что мутаций ttg могут функционально дополняться экспрессией кДНК R кукурузы (под контролем сильного промотора 35S вируса мозаики цветной капусты) в Arabidopsis ( Ллойд и др., 1992; Голуэй и др., 1994). Эти данные указывают на то, что TTG, вероятно, активирует гомолог Arabidopsis кукурузы R (основной активатор транскрипции спираль-петля-спираль; Ludwig et al., 1989), чтобы специфицировать судьбу неволосковых клеток. Способность TTG взаимодействовать с GL3, белком bHLH Arabidopsis, в дрожжевом двугибридном анализе (Payne et al., 2000) предполагает, что активация включает взаимодействия белок-белок.

Ген GL2 кодирует гомеодоменный белок фактора транскрипции (Rerie et al., 1994; DiCristina et al., 1996), и он преимущественно экспрессируется в дифференцирующихся эпидермальных клетках, не связанных с волосами, в меристематических и удлиненных областях корня (Masucci et al., 1996;). Как описано выше, экспрессия GL2 инициируется во время ранней сердечной стадии эмбриогенеза, где она быстро принимает свой N-клеточно-специфический паттерн экспрессии (Lin and Schiefelbein, 2001). Эмбриональная и постэмбриональная экспрессия гена GL2 находится под влиянием генов WER и TTG , при этом мутации wer практически отменяют активность промотора GL2 и мутации ttg , вызывающие снижение активности промотора GL2 . (Hung et al., 1998; Ли и Шифельбейн, 1999; Лин и Шифельбейн, 2001). Соответствующий зависимый от положения клетки паттерн GL2 сохраняется в мутанте ttg , но не в мутанте wer , что подразумевает, что WER (но не TTG) требуется для определения позиционной информации для экспрессии GL2 . Взятые вместе, складывается картина, что WER, TTG и R-подобный белок bHLH начинают действовать на ранней стадии эмбрионального развития, положительно регулируя экспрессию GL2 (и, возможно, других, еще не идентифицированных генов) в клетке. позиционно-зависимый способ указания типа неволосковых клеток.

Четвертый ген Arabidopsis, CAPRICE ( CPC ), по-другому влияет на спецификацию клеток эпидермиса корня. Вместо того, чтобы вызывать эктопические корневые волосковые клетки, мутант cpc продуцирует уменьшенное количество корневых волосковых клеток (Wada et al., 1997). Это означает, что CPC является позитивным регулятором судьбы корневых волосковых клеток. Интересно, что мутация gl2 эпистатична по отношению к cpc , это указывает на то, что CPC действует в пути WER / TTG / GL2 как негативный регулятор GL2 .Возможное объяснение негативного действия CPC обеспечивается природой его генного продукта; CPC кодирует небольшой белок с Myb-подобным ДНК-связывающим доменом, но без типичного домена активации транскрипции (Wada et al., 1997). Таким образом, CPC может ингибировать транскрипцию GL2, связываясь с его промотором и блокируя его активацию.

Эти молекулярно-генетические находки привели к простой модели контроля судьбы эпидермальных клеток корня у Arabidopsis (Lee and Schiefelbein, 1999;).В этой модели предполагается, что судьба корневых волосковых клеток представляет судьбу по умолчанию для корневой эпидермальной клетки. Структура волосяных и неволосовых типов клеток зависит от относительной активности двух конкурирующих факторов транскрипции, WER и CPC. Предполагается, что каждый из них обладает способностью образовывать комплекс с TTG и R-подобным белком bHLH. Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках в позиции N присутствует относительно высокий уровень WER, и это приводит к экспрессии GL2 (и, возможно, других генов) и дифференцировке неволосковых клеток.Предполагается, что в незрелых эпидермальных клетках, расположенных в положении H, существует относительно высокий уровень CPC, который приводит к репрессии GL2 и позволяет продолжаться дифференцировке волосковых клеток. В настоящее время неясно, устанавливается ли и каким образом относительная разница в уровнях WER и CPC в положениях N- и H-клеток.

Модель для определения типов корневых волосков и неволосовых клеток в корневом эпидермисе арабидопсиса. Предполагаемое накопление и взаимодействие регуляторов клеточной судьбы показано внутри клеток эпидермиса корня, предназначенных для того, чтобы быть корневыми волосковыми клетками (в положении H) или неволосковыми клетками (в положении N).В этой модели судьба по умолчанию для эпидермальной клетки — это корневая волосковая клетка. Стрелки указывают на положительный контроль, а тупые линии указывают на отрицательное регулирование.

В дополнение к генам, описанным выше, с помощью мутации были определены другие локусы, которые влияют на спецификацию эпидермальных клеток корня. К ним относятся мутанты roothairless ( rhl ) rhl1 , rhl2 и rhl3 , а также мутанты ectopic root hair ( erh ) erh1099 3, erh1099 / / и erh4 (Schneider et al., 1997), а также мутанты tornado ( trn ) trn1 и trn2 (Cnops et al., 2000). Каждый из них изменяет особенности ранней дифференцировки волосяных и неволосовых клеток, это указывает на то, что они влияют на спецификацию клеток, а не на более поздний процесс морфогенеза корневых волос. Ген RHL1 кодирует небольшой пионерный белок, локализованный в ядре, но он не регулирует GL2 , что позволяет предположить, что он действует в независимом генетическом пути, который определяет судьбу волосковых клеток (Schneider et al., 1998).

Ожидается, что гены спецификации клеток, описанные в этом разделе, будут влиять на экспрессию или активность генов / белков, которые контролируют процесс инициации корневых волосков. В настоящее время прямых мишеней для этих продуктов генов клеточной спецификации не выявлено. Существует несколько генов-кандидатов, таких как RHD6 и AXR2 , описанных далее в этой главе, которые, как известно, контролируют зарождение корневых волосков и, следовательно, могут регулироваться продуктами генов спецификации.

Сходства в формировании эпидермального паттерна в корне и других тканях

Существует тесная взаимосвязь между спецификацией клеток в корне и надземных тканях растения Arabidopsis. Наиболее поразительное сходство обнаруживается в эпидермисе гипокотиля. Хотя эпидермальные клетки гипокотиля не производят корневых волосков, в гипокотиле Arabidopsis есть два отдельных файла эпидермальных клеток, которые возникают позиционно-зависимым образом (Wei et al., 1994; Gendreau et al., 1997; Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c). Один тип файла клеток гипокотиля предпочтительно включает устьичные клетки и присутствует за пределами антиклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению H в эпидермисе корня. Другой тип файла клеток гипокотиля содержит не устьичные клетки и расположен за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, что эквивалентно положению N в эпидермисе корня (см. Главу, посвященную устьицам в этой книге). Это означает, что клетки эпидермиса гипокотиля и эпидермиса корня претерпевают позиционно-зависимую клеточную дифференцировку, чтобы создать общий паттерн типов клеток по всей апикально-базальной оси проростков Arabidopsis.

Сходство клеточной спецификации в эпидермисе корня и гипокотиля также проявляется в используемых молекулярных компонентах. Мутации wer , ttg и gl2 значительно изменяют формирование паттерна типов клеток гипокотиля, вызывая большую долю эктопических устьиц (устьиц, расположенных вне периклинальной клеточной стенки) (Hung et al., 1998; Berger et al. al., 1998c; Lee and Schiefelbein, 1999). Кроме того, репортерные гены GFP-ловушки-энхансера WER , GL2 и J2301 преимущественно экспрессируются в эпидермальных клетках, расположенных за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки корня и гипокотиля (Hung et al., 1998; Berger et al., 1998c; Ли и Шифельбейн, 1999 г.) (). Сходный паттерн специализированных и неспециализированных эпидермальных клеток в корне и гипокотиле инициируется во время эмбриогенеза, что демонстрируется сходной экспрессией маркерных генов, начинающейся на стадии сердца (Berger et al., 1998a; Lin and Schiefelbein, 2001). Параллельный паттерн активности генов указывает на то, что путь WER / TTG / GL2 используется в обоих органах проростка, начиная с эмбриогенеза, чтобы гарантировать, что клетки, расположенные за пределами периклинальной кортикальной клеточной стенки, дифференцируются в неволосковые клетки в корне и вне устьиц. клетки эпидермиса гипокотиля.

Экспрессия слитого репортера GL2 :: GUS в эпидермисе гипокотиля. Клетки, экспрессирующие маркер GL2 :: GUS, расположены в позиции N. Бар = 100 мкм.

Известно, что помимо воздействия на эпидермис гипокотиля, гены TTG и GL2 также влияют на образование трихомов в эпидермисе побегов Arabidopsis (Koornneef, 1981; Koornneef et al., 1982; Larkin et al., 1997 ; см. также главу о трихомах в этой книге). Более того, ткани побега и корня используют функционально эквивалентные белки MYB, WER (в корне) и GL1 (в побеге), чтобы определять судьбу клеток (Lee and Schiefelbein, 2001).Перекрытие клеточной спецификации эпидермиса корня и листа было неожиданным, потому что структура типов клеток в этих двух тканях, по-видимому, совершенно различается; Механизм корневого эпидермиса основан на позиционных отношениях между эпидермальными клетками и лежащими ниже кортикальными клетками, тогда как механизм эпидермиса листа основан на определении плотности трихом. Еще одним интересным аспектом этой взаимосвязи является то, что белки WER / GL1, TTG и GL2 противоположным образом контролируют образование эпидермальных волос в корне и листе.Они необходимы для образования неволосковых клеток в корне и волосяных (трихомных) клеток в листе. Хотя значение этого перекрытия корня / листа неясно, возможно, что TTG и GL2 представляют собой общие регуляторы транскрипции эпидермиса, которые были задействованы для участия в очень разных механизмах спецификации клеточного типа во время эволюции развития эпидермиса у покрытосеменных.

Гормональное воздействие на корневые волосковые клетки Спецификация

Результаты многочисленных фармакологических и генетических экспериментов показывают, что этилен и ауксин способствуют дифференцировке корневых волосковых клеток у Arabidopsis.Например, аминоэтоксивинилглицин (AVG, ингибитор биосинтеза этилена) или Ag + (ингибитор восприятия этилена) блокирует образование корневых волосков (Masucci and Schiefelbein, 1994; Tanimoto et al., 1995) и 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота. (ACC, предшественник этилена) индуцирует некоторые эктопические корневые волосковые клетки у Arabidopsis (Tanimoto et al., 1995). Кроме того, мутации, влияющие на локус CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE ( CTR1 ), который кодирует Raf-подобную протеинкиназу, предположительно негативно регулирует путь передачи этиленового сигнала (Kieber et al., 1993) вызывает образование корневых волосков на клетках эпидермиса, которые обычно лишены волос (Dolan et al., 1994). В соответствии с этим эпидермальные клетки в положении H более чувствительны к индуцирующим волосы эффектам этилена, чем клетки в положении N (Cao et al., 1999). Кроме того, фенотип безволосого корня у мутантов карлика ( dwf ; ауксин-резистентный) и ауксин-резистентных2 ( axr2 ; ауксин, этилен и абсцизовая кислота) мутантов вовлекает ауксин в формирование корневых волосков (Mizra et al. ., 1984; Wilson et al., 1990). Наконец, безволосый мутантный фенотип rhd6 может быть подавлен включением ACC или индол-3-уксусной кислоты (IAA, ауксин) в среду для выращивания (Masucci and Schiefelbein, 1994).

Хотя эти гормоны участвуют в развитии корневых волосков, их роль в спецификации судьбы эпидермальных клеток менее ясна. Результаты тестов эпистаза и анализа промотор-репортерного гена GL2 показывают, что путь этилен / ауксин не регулирует путь TTG / GL2 (Masucci and Schiefelbein, 1996).Кроме того, исследования времени развития эффектов гормонов показывают, что пути этилена и ауксина способствуют росту корневых волосков после того, как развиваются характеристики эпидермальных клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996; Cao et al., 1999). Тем не менее, мутации в генах AXR2 и RHD6 , связанных с этиленом и ауксином, уменьшают цитологические различия между типами клеток (Masucci and Schiefelbein, 1996), подразумевая, что эти гены способствуют раннему установлению идентичности клеток.Взятые вместе, результаты предполагают, что путь WER / TTG / GL2 / CPC действует выше или независимо от пути этилена / ауксина, определяя структуру типов клеток в эпидермисе корня.