Неясно, как растение определяет, что достаточно, и перестает пускать корни. Новое исследование Вашингтонского университета в г. Луи определяет клеточный переносчик, который связывает два самых мощных гормона в развитии растений – ауксин и цитокинин – и показывает, как они участвуют в торможении зарождения и развития корней. Новая работа Люсии Стрейдер, доцента биологии в области искусств и наук, и ее соавторов опубликована 18 июля в журнале Developmental Cell.
«Это интересно, потому что в течение долгого времени мы знали, что ауксин и цитокинин играют противоположные роли, но прямая связь между тем, как один из них может влиять на другой в производстве боковых корней, не была хорошо изучена», – сказал Стрейдер.
Боковые корни – это корни, которые горизонтально разветвляются, как пальцы, вытянутые в стороны. Они составляют большую часть корневой массы.
«Наши данные показывают, что одним из способов, которыми цитокинин может снизить продукцию боковых корней, является увеличение уровней этого переносчика, чтобы ограничить вклад этого конкретного предшественника ауксина в активный ауксин», – сказала она.
Прокачка и отпускание тормозов
Растительный гормон ауксин контролирует почти все аспекты роста и развития растений, включая стимуляцию роста корней в целом. Предыдущие исследования показали, что другой важный гормон, называемый цитокинином, имеет ограничивающий эффект – он контролирует места, где могут прорасти новые боковые корни, и обеспечивает достаточное расстояние между соседними корнями.
Однако до сих пор ученые не определили, как эти гормоны «разговаривают» друг с другом.
Работая с модельным растением Arabidopsis thaliana, Страдер расшифровал ключ к этому разговору.
Стрейдер обнаружила, что клеточный переносчик, который она назвала TOB1, может спрятать предшественник ауксина, перемещая его в вакуоль, орган в растительной клетке, который действует как своего рода пространство для хранения или удерживающая ручка. Это действие предотвращает превращение предшественника, называемого IBA, в полноценный ауксин со всеми его способностями к укреплению корней.
«Если TOB1 является тормозом, то цитокинин – это стопа тормоза», – сказал Стрейдер. "Это то, что говорит о том, сколько TOB1 должно быть вокруг, чтобы уменьшить образование боковых корней."
Растения могут увеличивать или ослаблять удержание по мере необходимости.
Стрейдер и ее команда использовали методы модификации генов для устранения переносчика и увидели драматические эффекты в следующем поколении растений.
«Когда вы избавитесь от этого переносчика, у вас будет примерно вдвое больше боковых корней, чем у дикого типа, без ущерба для глубины корня», – сказал Стрейдер.
Стрейдер также повторил некоторые из своих экспериментов с дрожжами и ооцитами лягушки (с помощью Wolf B. Фроммер из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия) вместо растения и обнаружил, что TOB1 столь же эффективен, как переносчик IBA в этих системах.
Медленный, но стабильный вариант может быть лучше для растений
Исследование Стрейдера показывает, как она и ее сотрудники начали с непредвзятого генетического скрининга и в конечном итоге определили важнейший регулятор аспекта развития растений, который часто игнорируется – тот, который не всегда заметен, потому что корни находятся под землей.
А корни арабидопсиса крошечные.
В возрасте двух недель его листья намного меньше десятицентовика, а корни нитевидные и прозрачные. Чтобы вывести процесс образования боковых корней на дневной свет, Стрейдер обратился за помощью к Кристоферу Топпу, ведущему исследователю в Центре наук о растениях Данфорта. Топп использовал неразрушающий метод для получения первых в истории серийных трехмерных изображений развивающихся растений Arabidopsis в среде – подвиг, который примечателен, учитывая, сколько исследований было проведено с этим модельным растением.
То, что они обнаружили, полезно, потому что молекулярные механизмы, регулирующие корневую архитектуру, критически недостаточно изучены.
Понимание того, почему и как растения образуют различные типы корневой архитектуры, может помочь в развитии растений, которые лучше справляются с различными почвенными условиями и средами. В своей последующей работе Стрейдер уже начал изучать, как мутанты TOB1 по-разному реагируют на почвы с разными питательными микроэлементами.
«Когда вы избавляетесь от тормозов, вы просто сходите с ума», – сказал Стрейдер. "Вначале это выглядело как хорошая сельскохозяйственная черта. Вы хотите, чтобы все ваши растения в почве исследовали больше почвы, чтобы получить больше питательных веществ, чтобы больше корней попало в воду.
"Но, если у вас никогда не будет тормоза, вы тратите свое время, делая все больше и больше таких", – сказала она. «Вероятно, на каком-то этапе жизненного цикла растения этот медленный, но устойчивый подход лучше, чем тотальный подход« давайте повсюду проложим боковые корни »,."
Финансирование: это исследование было поддержано William H. Программа стипендий Данфорта по науке о растениях (для S.K.п.), Национальный научный фонд (DGE-1143954 – T.А.E., IIA-1355406 и IOS-1638507 – C.N.Т., MCB-1413254 в W.F., и IOS-1453750 на L.C.S.), Центр инженерной механобиологии NSF (CMMI-1548571 по L.C.S.), Национальные институты здравоохранения (R01 GM112898 – L.C.S.), профессора Александра фон Гумбольдта (В.F.), Academia Sinica (C.ЧАС.ЧАС.) и Министерства науки и технологий Тайваня (106-2311-B-001-037 -MY3 – C.ЧАС.ЧАС.).