Вода и питательные вещества поступают в растения из окружающей среды посредством специализированных пор. Ученые из Женевского университета (UNIGE) пролили свет на малоизвестный, но важный для нормального функционирования растений механизм: направленность транспорта питательных веществ в корнях. Команда учёных продемонстрировала, что по мере развития корня транспорт становится однонаправленным. Это открытие подчёркивает ключевую роль пор, соединяющих растительные клетки, и открывает перспективы для повышения устойчивости растений к засухе. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Plant.
Корневая система играет ключевую роль в обеспечении водой и питательными веществами, которые необходимы для роста, развития, размножения и продуктивности растений. Сначала наружный слой корней, эпидермис, активно поглощает воду и питательные вещества из окружающей почвы. После этого они должны пройти через несколько слоёв клеток, чтобы достичь центральных сосудистых тканей, которые распределяют эти элементы по всему растению посредством сока.
Корень включает в себя различные структуры: эпидермис, кору, эндодерму и сосудистые ткани. На протяжении более чем столетия исследователи полагали, что вода и питательные вещества проникают через эти слои через плазмодесмы – микроскопические каналы, соединяющие растительные клетки и обеспечивающие обмен молекулами. «Несмотря на широкую распространённость этого представления, прямых подтверждений не существовало. Мы стремились экспериментально проверить эту гипотезу», — рассказывает Мари Барберон, профессор кафедры растениеводства.
Лаборатория исследовала механизмы, контролирующие усвоение питательных веществ в процессе роста корней и созревания клеток. Используя небольшие флуоресцентные маркеры, такие как зелёный флуоресцентный белок (GFP), исследователи прослеживали перемещение веществ через плазмодесмы в Arabidopsis thaliana, в модельном виде растений. В молодых корнях, где клетки ещё не приобрели полную специализацию (до образования сосудистых пучков), молекулы GFP способны свободно мигрировать в обоих направлениях — от периферических слоёв к центральным и обратно.
«Однако в зрелых корнях транспорт становится однонаправленным, направляясь исключительно от периферии к центральным сосудам», — говорит Леа Жакье, автор исследования. «Молекулы GFP, изначально помещённые во внешние слои, впоследствии были найдены в более глубоких тканях, однако обратный процесс не наблюдался. Это оказалось неожиданным, но демонстрирует оптимизированную систему, обеспечивающую эффективную доставку необходимых ресурсов в сосудистую ткань», — заключает исследователь.
Чтобы выяснить, какие гены отвечают за однонаправленное перемещение, исследователи искали генетические изменения, позволяющие осуществлять движение в обе стороны. В ходе поиска был обнаружен мутант, получивший название sesame, у которого плазмодесмы имели необычно широкую структуру. Это указывает на то, что размер пор является важным фактором, определяющим односторонний поток. Хотя у мутантов sesame при оптимальных условиях роста наблюдались лишь незначительные нарушения в усвоении питательных веществ, они были гораздо более устойчивыми к засухе. После двух недель без воды лишь несколько обычных растений возобновили рост после полива, а большинство растений sesame быстро восстановились.
«Мы пока не уверены, какие конкретно факторы позволяют этим растениям лучше переносить засуху, — отмечает Леа Жакье, — однако наши исследования указывают на то, что изучение процессов межклеточного транспорта способно помочь в создании культур, которые более эффективно усваивают питательные вещества или обладают устойчивостью к дефициту влаги. Это крайне актуальная задача для сельского хозяйства в эпоху изменения климата».
[Фото: © Fiorenza, UNIGE]