Вниз, вниз, вниз – но с разной скоростью
Сейчас Ючжоу Чжан, постдок в группе профессора Цзи?Я Фримл и его команда получили более широкое представление о том, как и когда возник корневой гравитропизм. Исследователи выбрали несколько видов растений, представляющих родословную мхов, ликофитов (косолапых и фермобосов), папоротников, голосеменных (хвойных) и цветущих растений, и позволили их корням расти горизонтально, чтобы наблюдать, когда и когда они начинают наклоняться вниз, следуя силе тяжести. Результат: рост корней под действием силы тяжести оказался очень рудиментарным и медленным у самых примитивных наземных растений (мхи), а также у базальных сосудистых растений (ликофиты и папоротники).
Только семенные растения (голосеменные и цветковые), впервые появившиеся около 350 миллионов лет назад, показали более быструю и, следовательно, более эффективную форму гравитропизма.
Сила крахмала
Но какой эволюционный шаг сделал возможным этот быстрый и эффективный корневой гравитропизм у семенных растений?? Проанализировав отдельные фазы гравитропизма – восприятие гравитации, передачу гравитропного сигнала и, в конечном итоге, саму реакцию роста – исследователи обнаружили два важных компонента, которые развивались рука об руку.
Первый оказался анатомическим признаком: органеллы растений, называемые амилопластами, плотно заполнены гранулами крахмала – осаждаются под действием силы тяжести и, таким образом, функционируют как датчики силы тяжести. Однако этот процесс седиментации наблюдался только у голосеменных и цветковых растений, причем амилопласты в конечном итоге концентрировались в самом низу кончика корня. У более ранних растений, напротив, амилопласты оставались беспорядочно распределенными внутри и над кончиком корня, таким образом, не функционируя в качестве датчиков силы тяжести, как это было в случае семенных растений.
Специальный ПИН-код для ауксина
После восприятия через амилопласты сигнал силы тяжести далее передается от клетки к клетке с помощью ауксина гормона роста.
В генетических экспериментах исследователи идентифицировали специфическую молекулу-переносчик в модельном растении Arabidopsis thaliana, PIN2, которая направляет поток ауксина и, следовательно, рост корней. В то время как почти все зеленые растения несут белки PIN, только конкретная молекула PIN2 у семенных растений собирается на стороне эпидермальных клеток корня, обращенной к побегам.
Эта специфическая локализация – уникальная для семенных растений – приводит к поляризации клеток-переносчиков, что, в свою очередь, позволяет корню транспортировать ауксин к побегу и, таким образом, передавать сигналы на основе ауксина от места восприятия силы тяжести к побегу. зона регулирования роста.
Растения как учителя для человечества
Определив эти два анатомических и функциональных компонента, авторы получили ценную информацию об эволюции корневого гравитропизма, который является одной из важнейших адаптаций семенных растений к суше. Но даже практические последствия этих открытий возможны: «Теперь, когда мы начали понимать, какие растения нуждаются в стабильной опоре для достижения питательных веществ и воды в глубоких слоях почвы, мы, возможно, в конечном итоге сможем найти способы улучшения рост сельскохозяйственных культур и других растений в очень засушливых районах », – говорит Чжан, который присоединился к IST Austria в 2016 году. Он добавляет: «Природа намного умнее нас; мы можем многому научиться у растений, которые в конечном итоге могут принести нам пользу."