Baumwollfasern sind die am meisten produzierte Non-Food-Pflanze der Welt nach Angaben der FAO. Seine Die Produktion trägt wesentlich dazu bei für die Volkswirtschaften vieler Entwicklungsländer und für die Lebensgrundlagen von Millionen ländlicher Kleinbauern weltweit.

Zwei Baumwollsamen mit dazugehöriger Faser. Der Wildsamen auf der linken Seite hat kürzere, spärliche braune Fasern. Der heimische Samen rechts hat längere, dichte weiße Fasern.
Samen und zugehörige Fasern einer wilden (links) und einheimischen (rechts) Baumwollpflanze. Bild von Groß und Straßburg (2010).

Moderne Baumwollsorten sind aus jahrtausendealten Domestizierungs- und Verbesserungsprozessen hervorgegangen. Die größte Veränderung in dieser Zeit war, dass Baumwollfasern geworden sind länger, feiner und stärker.

Moderne Bemühungen, Baumwolle zur weiteren Verbesserung der Faserqualität zu entwickeln, werden durch unzureichendes Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen behindert, die die Fasereigenschaften steuern.

Dr. Daniel Szymanski, Professor für Botanik und Pflanzenpathologie an der Purdue University und Dr. Joe Turner an der University of Nebraska entwickelten realistische Simulationen, die es ihnen ermöglichten, die zellulären Komponenten zu analysieren, die den Durchmesser und die Länge von Baumwollfasern steuern.

Jede Baumwollfaser ist eine einzelne längliche Zelle, die auf der Oberfläche der sich entwickelnden Samenschale wächst. Dadurch lassen sie sich mit fortschrittlichen Mikroskopietechniken leicht reinigen und abbilden, was sie zu einem leistungsstarken Einzelzellmodell für Einblicke in Pflanzenwachstum und -entwicklung, Zellwandaufbau und Zellmorphogenese macht.

Diagramm einer Baumwollfaserzelle.

Die Anatomie der Fasern bestimmt die Endproduktqualität. Dr. Szymanski erklärt: „Der Durchmesser der Faser trägt zu ihrer Feinheit im Hinblick auf eine höhere Fadenzahl und ein weiches, seidiges Gefühl bei. Zu Beginn der Zellentwicklung verjüngt sich die Faser schnell, und der resultierende Durchmesser scheint bei Verlängerung der Faser beibehalten zu werden. Wir konzentrierten unsere Bemühungen daher auf die Mechanismen der Verjüngung der Zellwand, da das Ausmaß und die Dauer der Verjüngung ihren Durchmesser bestimmen.“

Lebendzellmikroskopie wurde verwendet, um den genauen Entwicklungszeitplan und das Ausmaß der Faserverjüngung, gemessen in Tagen nach der Anthese, zu bestimmen. Dazu gehörten Messungen der lokalen Zellexpansionsraten und des Krümmungsradius der Faserspitze (ein Proxy für den Faserdurchmesser) während der frühen Faserentwicklung.

Ihre Untersuchung konzentrierte sich auf die Strukturen des Zytoskeletts, da sie Zellen in die Lage versetzen, stark polarisierte (asymmetrische) Zellformen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Zytoskelette können aus Aktin- oder Mikrotubuli-Filamenten bestehen; beide wirken zusammen, um eine Verjüngung in Baumwollfasern zu vermitteln. Um Aktinnetzwerke in sich verjüngenden Zellen zu analysieren, verwendeten sie eine Kombination aus Live-Cell-Imaging und Partikelverfolgung. Durch die Lokalisierung der Aktinbahnen in der Zelle bestimmten die Autoren, wie die Zelle die Lieferung von Rohstoffen über die sich ausdehnende Zelloberfläche verteilt.

Eine sich entwickelnde Faser wird mit fluoreszierenden Partikeln markiert. Die Partikel ermöglichen die Messung der Bewegung. Über einen halben Tag haben sich die Partikel an der Spitze nicht auseinander bewegt, aber die Achse hat sich weit von der Basis entfernt, was auf eine Dehnung hinweist.
Hochvergrößertes Hellfeldbild einer sich entwickelnden Faser 1.5 und 2 Tage nach der Anthese (DPA), markiert mit fluoreszierenden Partikeln. Die nummerierten verfolgbaren Partikel und ihre Positionen in den Bilderfassungsintervallen sind mit Punkten angegeben, die in offenen Kreisen zentriert sind.

Interessanterweise fanden sie heraus, dass das Mikrotubuli-Zytoskelett, das die Orientierung von Zellulose-Mikrofibrillen in der wachsenden Zellwand bestimmt, eine apikale Mikrotubuli-Verarmungszone und hochorganisierte quer verlaufende Mikrotubuli umfasst.

Das an Mikrotubuli erschöpfte Zytoplasma nahe der Spitze zeigt eine 90-Grad-Orientierung von der Spitze
Die apikale Mikrotubuli-Depletionszone (MDZ) von Baumwollfasern.

Die Autoren erstellten ein Finite-Elemente-Modell des Baumwollfaserwachstums, um zu bestimmen, welche Materialeigenschaften in der Wand erforderlich sind, um eine Faserverjüngung und Faserdehnung ohne Zellschwellung zu ermöglichen. Diese Simulationen zeigten eine strenge Anforderung an Querfasern, um das radiale Anschwellen einzuschränken, und eine isotrope Zone zufällig orientierter Fasern in der Spitze, um zu bewirken, dass der Zelldurchmesser an der Spitze während des Wachstums zunehmend eingeschränkt wird. Das Modell bot auch eine zuverlässige Möglichkeit, die Größe und Richtung von Zugkräften in der Wand vorherzusagen. Diese Simulationen zeigen, dass Kraftgröße und -orientierung auf das Mikrotubulussystem zurückwirken, um es der Zelle zu ermöglichen, die Zellform mit der Mikrotubulus-abhängigen Zellwandstrukturierung zu integrieren. Von zentraler Bedeutung für die Erstellung des Modells waren die oben beschriebenen Multiskalen-Experimentaldaten.

Laut Szymanski „bietet die Kombination aus Finite-Elemente-Modellsimulation und moderner Zellbiologie eine Wissensbasis, um Fasertechnik zu ermöglichen. Die größte Herausforderung besteht nun darin, die Gene und Module zu identifizieren, die wichtigen Fasereigenschaften wie Durchmesser, Drehung und Länge zugrunde liegen.“

DER ARTIKEL::

M. Yanagisawa, S. Keynia, S. Belteton, JA Turner, DB Szymanski, Ein konservierter zellulärer Mechanismus zur Kontrolle des Durchmessers und der Länge von Baumwollfasern, in silico Plants, 2022;, diac004, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac004