Международные биологи провели исследование, в результате которого был выявлен механизм, обеспечивающий рост корней риса в плотных почвах. Выяснилось, что растение изменяет структуру клеток: внутренние слои корня размягчаются и увеличиваются в объеме, в то время как внешняя оболочка сохраняет свою жесткость. Данное строение обеспечивает устойчивость и силу, которые требуются корню для развития в условиях сложной почвы.
Уплотнение почвы под воздействием тяжелой сельскохозяйственной техники негативно влияет на рост растений. В плотных грунтах корням затруднительно проникать вглубь, что приводит к снижению урожайности. Ранее считалось, что в сжатой земле корни прекращают свое удлинение и начинают утолщаться. Этому сигнализирует газ этилен, который накапливается вокруг кончика корня из-за недостаточной вентиляции в плотной земле. Однако до настоящего времени ученые не могли установить, каким образом этилен изменяет физические характеристики корня на клеточном уровне.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, ученые разработали мутантные сорта риса, в которых изменена работа генов, контролирующих образование целлюлозы и чувствительность к гормонам. Исследование роста корней в почвах различной плотности проводилось с использованием рентгеновской компьютерной томографии, а жесткость и толщину клеточных стенок определяли методом атомно-силовой микроскопии.
По имеющимся данным, важную роль в процессе адаптации играет белок OsARF1. Этилен стимулирует активность этого белка, который, в свою очередь, блокирует экспрессию генов, ответственных за синтез целлюлозы (CESA).
Подавление затрагивает только внутренние ткани корня, или кору. Недостаток целлюлозы приводит к тому, что стенки внутренних клеток истончаются и становятся более эластичными. Это вызывает расширение корня в поперечном направлении. При этом внешний слой клеток, эпидермис, не подвергается изменениям и сохраняет свою толщину и плотность.
Исследователи провели сопоставление произошедших изменений в структуре корней с инженерными подходами к проектированию трубопроводов. Наличие прочной внешней оболочки и центральной части, увеличивающейся в объеме под воздействием давления, обеспечивает корню требуемую прочность на сжатие. Благодаря так называемому «эффекту трубы» исключается сплющивание или деформация корня, позволяя ему функционировать как клин, разделяющий частицы почвы.
Растения способны изменять структуру своих тканей в ответ на физические воздействия. Изучение взаимосвязи «этилен — белок OsARF1 — клеточная стенка» предоставляет селекционерам возможность создавать улучшенные сорта риса и других сельскохозяйственных культур. Это позволит растениям более эффективно формировать корневую систему и обеспечивать высокий урожай даже на полях, подверженных сильным механическим нагрузкам.