Plantenbewegingen fascineren al lang veel onderzoekers. Peulvruchten zijn een groep planten die bekend staat om het vertonen van verschillende bladbewegingen, waaronder 'nyctinastische beweging', waarbij de bladeren overdag opengaan en 's nachts sluiten. Vergelijkbare plantbewegingen zijn onder meer door blauw licht veroorzaakte en aanraakgevoelige bewegingen, zoals bij gevoelige planten zoals Mimosa pudica.
Beweging in bladstructuren wordt veroorzaakt door herhaald en omkeerbaar uitbreiding en samentrekking van motor cellen, dit zijn de cellen in een structuur die de pulvinus wordt genoemd aan de basis van de blaadjes en bladstelen. Een dergelijke zich herhalende en omkeerbare celverlenging en -contractie is zeer zeldzaam in plantencellen, die omgeven zijn door een stijve cel celwand. Bovendien wordt niet goed begrepen hoe motorcellen in staat zijn tot repetitieve en omkeerbare extensie en contractie.
Plantencelwanden zijn samengesteld uit een aantal cellulose microfibrillen die krimpen of uitzetten als reactie op osmotische concentratieverschillen tussen de binnen- en buitenkant van de cel. De hoeveelheid verandering die kan worden veroorzaakt door anisotropie in de rangschikking van cellulosemicrofibrillen kan echter niet het volledige bereik van beweging van de pulvinus.
Een onderzoeksteam onder leiding van Miyuki Nakata en Taku Demura van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST) onderzocht de dwarsdoorsneden van pulvinar-motorcellen van Desmodium paniculatum met behulp van confocale lasermicroscopie om het mechanisme van repetitieve en omkeerbare celverlenging en contractie te onderzoeken. Ze identificeerden unieke rondlopende "spleten" in de celwand van de motorcellen die minder cellulose bevatten. De structuren werden bewaard in twee subfamilies van peulvruchten, waaronder sojabonen, kudzu en gevoelige planten.
Bij het overbrengen van weefselplakjes van corticale motorcellen van peulvruchten naar oplossingen met verschillende osmolariteit, werden de pulvinaire spleten breder, wat wijst op een mechanisme waardoor celwanden van planten zou kunnen buigen als reactie op oplossingen met verschillende osmolariteit.
Door een combinatie van gedetailleerde celwandanalyse, computersimulaties, en observaties van pulvinar-spleten in cellen die extensie en contractie ondergaan, werd vastgesteld dat pulvinar-spleten mechanisch flexibele structuren zijn die openen en sluiten tijdens celextensie en contractie.
"Computermodellering suggereerde dat pulvinar-spleten anisotrope extensie in de richting loodrecht op de sleuven vergemakkelijken in aanwezigheid van turgordruk", zegt Miyuki Nakata. De onderzoekers vergeleken de actie met de rechte sneden of spleten die worden gebruikt in kirigami, een Japans papiermodel, om de rekbaarheid van het vel papier te vergroten.
Daarom stelde het onderzoeksteam voor dat deze unieke, pulvinaire spleten structuren zijn die meer beweging van de corticale motorcellen mogelijk maken dan anders zou worden toegestaan door de typische cellulose-microfibrillen in de celwand.
"We bieden een hypothese dat pulvinar-spleten een rol spelen bij dynamische bladbeweging door repetitieve en omkeerbare vervorming van corticale motorcellen in combinatie met andere factoren, waaronder cellulose-oriëntatie, pectine-rijke samenstelling van de celwand, de geometrie van corticale motorcellen en de actine cytoskelet”, zegt Miyuki Nakata.
De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Plantenfysiologie.