Ученые выяснили причину искривления растений во время роста

Новости МирТесен

Выяснилось, что внешний слой оказывает определяющее влияние на форму корня растения и его механические характеристики. Данное наблюдение предоставит исследователям возможность более эффективно приспосабливать сельскохозяйственные культуры к неблагоприятным почвенным условиям.

Искривление стеблей и корней является распространенной адаптацией растений к окружающей среде. Вьются виноградные лозы, усы огурцов, стебли вьюнков и лиан, корни проникают в землю под углом и изгибаются, чтобы избежать препятствий вроде камней.

Известно ученым, что причиной скручивающегося роста являются мутации в генах, контролирующих микротрубочки растений. Часто деформации вызваны «нулевыми» мутациями, когда из-за нарушения работы гена невозможно производство необходимого вещества, например белка. Это должно приводить к целому ряду других негативных последствий, однако скручивающийся рост – довольно распространенный эволюционный адаптация.

Американские биологи провели детальное исследование процесса роста растений, характеризующегося скручиванием. Было установлено, что для возникновения подобного дефекта не требуется полная «нулевая» мутация всего растения — достаточно изменения в активности гена, расположенного в эпидермисе. Результаты этого научного исследования были опубликовали в журнале Nature Communications.

Растительные клетки плотно прилегают друг к другу и надежно закреплены на своих позициях, словно «склеенные», благодаря наличию прочной клеточной стенки. Структурная организация тканей растения, располагающихся от внутренней части к внешней поверхности, выглядит следующим образом: стела, эндодерма, кортекс и эпидермис. Согласно гипотезе ученых, формирование спиралевидной структуры происходит из внутреннего коркового слоя, где генетическая мутация приводит к тому, что клетки приобретают короткую и широкую форму вместо вытянутой и тонкой.

С целью восстановления нормальной формы корней, исследователи провели эксперимент по активации функционального гена в различных слоях корневой системы растения. Для изучения данного вопроса биологи разработали специальную модельную систему, позволяющую корням отклоняться влево или вправо; в качестве модельного организма была выбрана резуховидка Таля ( отклоняться вправо или влево, экспериментальным организмом стала резуховидка Таля ( Arabidopsis thaliana) — растение с полностью секвенированным коротким геномом.

Неожиданным открытием для биологов стало то, что экспрессия нормального гена, ответственного за формирование прямого корня, в любом из внутренних слоев растения не приводила к его выпрямлению. Резуховидка продолжала сохранять форму скрученного нуль-мутанта, поскольку производство правильного белка во внутренних тканях растения никак не влияло на степень закручивания.

Однако, если нормальный ген экспрессировался исключительно в эпидермисе, наблюдалось выпрямление корней. Таким образом, стало ясно, что именно внешний слой определяет форму растения.

В дальнейшем к исследованию присоединились механобиологи – специалисты, объединяющие знания из физики, инженерии и биологии. Они провели измерения ориентации целлюлозных микрофибрилл в корнях как мутантных, так и нормальных растений, нашли разницу в отложение целлюлозы и построили на основе собранных данных компьютерную модель протекающих в растении.

«Когда присутствует несколько концентрических слоев клеток, подобно годичным кольцам у дерева, внешний слой оказывает значительно большее влияние на общую структуру, чем внутренние. Наша модель продемонстрировала, что если клетки только в эпидермисе имеют скошенную ориентацию, то они могут быть ответственны за треть общей степени скручивания растения. Но при выпрямлении клеток исключительно в эпидермисе, весь корень приобретает прямолинейную форму. Математические расчеты были неопровержимы: определяющий фактор – внешний слой» — пояснил один из авторов публикации Гай Генин. Guy Genin).

Созданная модель нашла подтверждение в экспериментальных результатах. При экспрессии нормального гена (отвечающего за формирование прямого корня) исключительно в эпидермисе, это оказывает влияние даже на корковые клетки с мутацией. Внутренние клетки, вместо того чтобы быть короткими и широкими, приобретали более вытянутую и тонкую форму, приближенную к нормальной. Оказалось, что слой клеток эпидермиса способен вовлекать в процесс внутренние клеточные слои, он не пассивная кожа, а механический координатор роста всего органа. Внешний слой корня доминирует в его скручивающем поведении благодаря той же физике кручения, что объясняет, почему полые трубки могут быть почти такими же прочными, как сплошные стержни.

Теперь, когда ученые выяснили механизм самоскручивания растений, эти знания могут быть использованы для решения задач в области сельского хозяйства. Понимание того, как корни перемещаются в почве, позволит адаптировать растения к изменяющимся климатическим условиям Земли и развивать сельскохозяйственное производство в регионах с каменистыми грунтами.