Ученые изучили механизм скрученного роста растений, помогающий корням адаптироваться к сложным почвам

Исследователи выяснили, как растения контролируют искривление корней и других органов для преодоления препятствий и стрессовых условий окружающей среды. Результаты показывают, что скручивание обусловлено не утратой целых генов, как считалось ранее, а изменениями экспрессии генов во внешнем клеточном слое растения.

Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, выполнена под руководством профессора биологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе Рама Диксита совместно с бывшей аспиранткой Наташей Нолан и инженером-механиком Гаем Дженином. Исследование объединило генетику, клеточную биологию и механическое моделирование и показало, что именно эпидермис — наружный слой клеток — определяет направление скручивания корней по мере их роста.

Скрученный рост широко распространен в растительном мире: от вьющихся лиан, обвивающих опоры, до корней, отклоняющихся влево или вправо, чтобы обойти камни. Ранее ученые связывали это явление с мутациями, влияющими на микротрубочки — ключевые структурные компоненты клеток. Многие из этих мутаций были «нулевыми», то есть ген был полностью деактивирован, что вызывало вопросы — как столь радикальные изменения могут лежать в основе распространенной и адаптивной стратегии роста.

Новое исследование показало, что полное «выключение» гена не требуется. Направление роста корней можно регулировать, меняя активность отдельных генов только во внешнем слое тканей — эпидермисе.

«Возможно, именно этим и объясняется столь широкая распространенность этого явления, — говорится в заявлении Диксита. — Для такого роста не нужны нулевые мутации; достаточно слегка изменить работу отдельных генов в эпидермисе».

Чтобы определить, где именно контролируется скручивание, команда использовала модельное растение, корни которого предсказуемо отклоняются вправо или влево. Нолан вернула нормальную версию ключевого гена в разных клеточных слоях у растений с мутацией. Когда ген экспрессировался во внутренних слоях корня, скрученный рост сохранялся. Когда тот же ген экспрессировался только в эпидермисе, корни росли прямо.

Этот результат показал, что эпидермис способен определять поведение внутренних тканей. Измерения ориентации целлюлозных микрофибрилл и механическое моделирование помогли объяснить этот эффект. Модели Дженина продемонстрировали, что в структуре из концентрических слоев именно внешний слой оказывает решающее влияние на скручивание — подобно тому, как стенки полой трубки в значительной степени определяют ее сопротивление скручиванию.

«Расчеты были однозначны, — сказал Дженин. — Если исправить только эпидермис, весь корень выпрямляется. Внешний слой определяет все».

Исследование также показало, что изменения в эпидермисе координируют рост всего органа, перестраивая поведение внутренних клеток. По словам авторов, это свидетельствует о том, что эпидермис — не просто защитная оболочка, а важный механический регулятор развития растений.

Работа была выполнена в рамках Центра инженерной механобиологии Национального научного фонда США — междисциплинарной инициативы, изучающей влияние физических сил на живые системы. Соавтор исследования Чарльз Андерсон из Университета штата Пенсильвания отметил, что полученные результаты имеют значение не только для фундаментальной науки.

«По мере того как изменение климата усиливает засухи и вынуждает сельское хозяйство осваивать малоплодородные, уплотненные или каменистые почвы, растения с адаптивной корневой системой становятся все более востребованными, — отметил он. — Если мы поймем, как корни скручиваются и обходят препятствия, мы сможем выращивать культуры там, где раньше это было невозможно».

Помимо корней, скрученный рост влияет на то, как лианы взбираются по опорам, как стебли противостоят ветру и как растения закрепляются в почве, предотвращая эрозию. По словам исследователей, работа создает механическую основу для рассмотрения архитектуры растений как инженерной задачи — подхода, который может лечь в основу будущих программ селекции и биотехнологических разработок.