BioScience Blog – Научный Биологический блог

Гормон ауксин (класс низкомолекулярных соединений, относящихся к производным индола) является одним из важнейших веществ, участвующих в регуляции различных биологических процессов растений, в особенности морфогенеза. Координация ауксином процессов роста и развития растений осуществляется через контролируемое формирование паттернов распределения ауксина и дозозависимых механизмов его действия. В течение последнего десятилетия наблюдается огромный интерес к применению технологий математического моделирования к задачам, связанным с развитием растений, опосредованным ауксином. Основной мотивацией теоретических исследований является следующее: а) предсказать движение и распределение паттернов ауксина в развивающейся ткани; б) показать, что некоторые гипотезы относительно роли ауксина, как одного из сигналов развития, проверяемые in silico, позволяют получить результаты, сравнимые с наблюдаемыми invivo. Ранее нами была разработана математическая модель развития меристемы побега в терминах клеточного автомата. Анализ разработанной модели показывает, что динамика клеточного автомата не только качественно совпадает с морфодинамикой реального зародыша, но, при варьировании начальных параметров, также можно добиться количественного соответствия по числу клеток в зародыше на определённых этапах развития. Более того, было обнаружено, что при подборе параметров модели наблюдается поведение автомата, аналогичное морфодинамике мутантного фенотипа. Параллельно коллегами лаборатории теоретической генетики была предложена и разработана одномерная математическая модель (1D модель), описывающая динамику распределения ауксина в клетках, лежащих на центральной оси корня растения, с учетом регуляции ауксином собственного транспорта. Разработанная 1D модель воспроизводит некоторые важные особенности ауксин-зависимого развития корня. Анализ 1D модели позволяет предположить, что разные типы распределений концентрации ауксина в клетках могут реализоваться на разных этапах роста корня и задавать разные сценарии его развития. Из сравнительного анализа существующих моделей можно сделать вывод, что в корне и побеге преобладают разные типы транспорта ауксина. В корне ауксин более активно транспортируется из клетки, а в побеге – более активно транспортируется в клетку.

Однако остается неясным вопрос о критичности данных различий. В связи с этим мы построили серию математических моделей и проанализировали различные типы транспорта ауксина. Мы показываем, что преобладания различных типов транспорта является критичными для формирования наблюдаемых паттернов распределения ауксина в корне и меристеме побега.

Следующим иерархическим этапом развития моделирования в области поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии меристемы побега Arabidopsis thaliana являлась разработка математической модели метаболизма ауксина в клетке побега. Для достижения данной цели мы реконструировали генную сеть метаболизма ауксина и, на основе разработанного нами же конвертора генных сетей в формат математических моделей, построили математическую модель метаболизма ауксина. Данная математическая модель воспроизводит экспериментальную динамику наработки ауксина и его конъюгатных форм в клетке Arabidopsis thaliana.