Modelling of self-organizaton of microtubules in plant cells

Abstract

Microtubules are ubiquitous elements of any eucaryotic cell, serving many functions at different stages of its life. In plant cells they form so-called plant cell cortex, where they are organized into parallel arrays. These arrays serve as a matrix of synthesis of a plant cell wall, defining the direction of growth. Microtubule arrays are sensible to tropic stimuli. However, the nature of such sensibility is still not well established. We provide a computational analysis of this phenomenon. Using both kinetic Monte-Carlo simulations and theoretical investigation, we show that compression due to mechanical stress may cause orientation of microtubules along major stress lines. We also show that anisotropic distribution of chemical agents interacting with microtubule-associated proteins may also cause orientation of microtubules. Such mechanisms are primarily connected with gravitropism but similar reorientations of microtubules in response to light may suggest that these mechanisms can also be relevant for other tropisms.

Los microtúbulos son elementos ubicuos de cualquier célula eucariota, que poseen distintas funciones en diferentes etapas de su vida. En células de plantas ellos forman la estructura llamada corteza célula vegetal, donde se organizan en conjuntos paralelos. Estos conjuntos sirven como una matriz de síntesis de una pared celular vegetal, definiendo la dirección del crecimiento de la célula. Los conjuntos de microtúbulos son sensibles a estímulos trópicos. Sin embargo, la naturaleza de dicha sensibilidad todavía no está bien establecida. Les ofrecemos un análisis computacional de este fenómeno. Usando simulaciones cinéticas Monte-Carlo y la investigación teórica, nos mostramos que la compresión debida al estrés mecánico puede causar la orientación de los microtúbulos a lo largo de las principales líneas de tensión. También se muestra que la distribución anisotrópica de agentes químicos que interactúan con las proteínas asociadas a los microtúbulos también puede provocar orientación de los microtúbulos. Estos mecanismos están conectados principalmente con gravitropismo pero reorientaciones similares de microtúbulos en respuesta a la luz puede sugerir que estos mecanismos también pueden ser relevantes para otros tropismos.