Американские ботаники установили, что ориентация растений в пространстве обусловлена взаимодействием двух противоположных сигнальных систем, а не только стремлением к росту вверх. Они выявили белок SLQ1, который стимулирует рост стебля в направлении вниз. Это открытие корректирует существующие представления о гравитропизме: исследователи пришли к выводу, что растения поддерживают баланс между сигналами, направляющими рост вверх и вниз».
Растения способны ощущать гравитацию и направлять свой рост вопреки ей (отрицательный гравитропизм) благодаря белкам семейства LAZY. В специализированных клетках, называемых статоцитах, находятся статолиты – тяжелые крахмальные зерна, соединенные с белками LAZY. Под воздействием силы тяжести они опускаются к нижней части клетки, где белки взаимодействуют с клеточной мембраной, изменяя распределение растительного гормона ауксина и вызывая изгиб стебля, обеспечивающий его рост вверх.
Растения-мутанты, у которых неактивны гены данного семейства (их также называют «ленивыми» мутантами), утрачивают возможность вертикального роста и начинают стелиться по земле. Раньше полагали, что это связано с потерей ориентации в пространстве: растение, по сути, теряет гравитационный ориентир и растет горизонтально.
Авторы статьи, опубликованной в журнале PNAS, для определения дополнительной мутации, способной восстановить нарушенный механизм гравитропизма, был выполнен генетический скрининг мутантов модельного растения Arabidopsis, у которых отсутствуют все основные гены LAZY.
Нам удалось найти растение, которое, несмотря на отсутствие белков LAZY, вновь начало вертикальный рост. Генетическое исследование выявило, что причиной «восстановления» стала мутация в гене, получившем от авторов научной работы название SLQ1 (Suppressor of Lazy Quadruple 1). Ученые проанализировали структуру белка SLQ1, установили его местоположение в клетке и проверили взаимодействие с гормоном ауксином.
Согласно результатам исследования, «ленивый» рост растений, когда они растут по земле, обусловлен не слабостью или дезориентацией, а активной деятельностью белка SLQ1. При отсутствии белков LAZY, SLQ1 берет на себя регулирующую функцию, изменяя распределение ауксина и заставляя растение прижиматься к почве, что является проявлением положительного гравитропизма).
В ходе исследования было установлено, что в здоровых растениях функционируют обе системы: сильный сигнал LAZY способствует росту стебля вверх, а более слабый сигнал SLQ1 — вниз. Благодаря преобладанию сигнала LAZY, растение растет вертикально. Белок SLQ1 взаимодействует с белком SETH6, формируя комплексы в зонах соприкосновения эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, что влияет на перераспределение гормонов.
Выяснилось, что при деактивации как системы «вверх» (LAZY), так и системы «вниз» (SLQ1) растение не утратило ориентацию полностью. Оно продемонстрировало умеренную способность к росту в направлении верхних частей. Механизм гравитационного определения, не зависящий от LAZY, нуждается в дальнейшем изучении.
Развитие растения – это не однократный процесс, а состояние динамического равновесия, представляющее собой взаимодействие противоположных молекулярных процессов. Регулируя соотношение между белками LAZY и SLQ1, растение способно точно определять угол наклона ветвей, что важно для формирования оптимальной структуры кроны. Более глубокое исследование механизма, не зависящего от LAZY, может привести к существенной переоценке теории гравитропизма.