To study the mechanisms underlying developmental pattern formation in a tissue, one needs to analyze the dynamics of the regulators in time and space across the tissue of a specific architecture. This problem is essential for the developmental regulators (morphogens) that distribute over the tissues anisotropically, forming there maxima and gradients and guiding cellular processes in a dose-dependent manner. Here we present the PlantLayout pipeline for MATLAB software, which facilitates the computational studies of tissue patterning. With its help, one can build a structural model of a two-dimensional tissue, embed it into a mathematical model in ODEs, perform numerical simulations, and visualize the obtained results - everything on the same platform. As a result, one can study the concentration dynamics of developmental regulators over the cell layout reconstructed from the real tissue. PlantLayout allows studying the dynamics and the output of gene networks guided by the developmental regulator in specific cells. The gene networks could be different for different cell types. One of the obstacles that PlantLayout removes semi-automatically is the determination of the cell wall orientation which is relevant when cells in the tissue have a polarity. Additionally, PlantLayout allows automatically extracting other quantitative and qualitative features of the cells and the cell walls, which might help in the modeling of a developmental pattern, such as the length and the width of the cell walls, the set of the neighboring cells, cell volume and cell perimeter. We demonstrate PlantLayout performance on the model of phytohormone auxin distribution over the plant root tip.
Для изучения механизмов, лежащих в основе формирования паттернов развития в тканях, необходим анализ динамики распределения регуляторов во времени и пространстве в тканях сложной структуры. Наибольшее значение это имеет в случае регуляторов развития (морфогенов), которые распределены в ткани неравномерно, образуя максимумы и градиенты, и регулируют клеточные процессы по-разному в зависимости от дозы. Настоящая работа посвящена описанию программного средства PlantLayout на языке MATLAB, которое облегчает исследование формирования распределений регуляторов в тканях различного строения. С его помощью можно построить двумерную структурную модель ткани, внедрить ее в математическую модель, описанную в терминах обычных дифференциальных уравнений, выполнить численные расчеты модели и визуализировать полученные результаты – всё на одной платформе. В результате можно изучать динамику работы генных сетей и изменения концентрации регуляторов в каждой клетке клеточного ансамбля, воспроизводящего строение реальной ткани. Исследуемые генные сети могут различаться для разных типов клеток. Одной из задач, которую решает PlantLayout в полуавтоматическом режиме, является определение ориентации клеточной стенки, что имеет значение в случае присутствия в ткани поляризованных клеток. Кроме того, PlantLayout позволяет автоматически определять другие качественные и количественные характеристики клеток и клеточных стенок, такие как длина и ширина клеточных стенок, площадь сечения и периметр клеток, которые могут помочь в моделировании паттернов распределения регуляторов развития, а также список соседних клеток для каждой клетки. В данной работе продемонстрирована эффективность разработанного программного средства PlantLayout применительно к моделированию распределения фитогормона ауксина в кончике корня растения.
Keywords: image analysis; mathematical modeling; morphogen; pattern; polarity.
Copyright © AUTHORS, 2018.