Как деревья и репа становятся толще

Две международные исследовательские группы определили ключевые регуляторные сети, контролирующие, как растения растут «вширь». Это может помочь выращивать деревья для более эффективного поглощения углерода и повысить урожайность овощных культур.

Радиальный рост (утолщение стеблей и корней) обеспечивает растениям физическую опору, даёт такие материалы, как древесина и пробка, и играет важную роль в превращении атмосферного углерода в биомассу растений. Он же отвечает за формирование корнеплодов, таких как репа, морковь, сахарная свёкла и картофель. Однако механизмы этого процесса оставались малоизученными.

Учёные из Университета Хельсинки и Кембриджского университета независимо друг от друга раскрыли две регуляторные сети, управляющие этим критически важным ростом. Их открытия, опубликованные в двух отдельных статьях в журнале Nature, дают наиболее полное на сегодня понимание радиального роста растений. Это также означает, что ботаническим учебникам по всему миру придётся обновить описания формирования, дифференцировки и роста двух типов сосудистых тканей — ксилемы (древесины, транспортирующей воду) и флоэмы (транспортирующей питательные вещества).

Как растения контролируют радиальный рост

Используя резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) в качестве модельного растения, команда доктора Ари Пекки Мяхёнена из Университета Хельсинки положила конец почти 150-летним дебатам о локализации и сущности стволовых клеток, ответственных за радиальный рост. Они показали, что стволовые клетки для камбия (слой ткани, дающий начало вторичным сосудистым тканям) расположены рядом с молодой ксилемой. Более того, молодая ксилема действует как организатор активности стволовых клеток.

Команда профессора Юкё Хелариутты из Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) сосредоточилась на ранней (первичной) стадии развития сосудов. Они показали, что в отличие от поздней стадии, на этой ранней стадии молодые клетки флоэмы (протофлоэма) инициируют и организуют первичный (прокамбиальный) этап радиального роста. Они также описали лежащую в основе генную регуляторную сеть и интегрирующую роль новой группы мобильных транскрипционных факторов.

Вместе эти открытия раскрывают некоторые регуляторные механизмы, позволяющие растениям продолжать радиальный рост высокоорганизованным образом, что приводит к появлению концентрических узоров на поперечных срезах стеблей и корней. Ключ — в позиционировании клеток и сложной сети обратной сигнализации.

• Исследование Мяхёнена показало, что недифференцированные клетки ксилемы на ранней стадии берут на себя роль организатора, заставляя соседние сосудистые клетки делиться и функционировать как стволовые клетки. Дифференцировка организатора в сосуд ксилемы приводит к формированию нового организатора в соседней камбиальной стволовой клетке, обеспечивая поддержание сосудистого камбия.
• Исследование Хелариутты выявило, что очень ранние ткани флоэмы (протофлоэма) направляют поведение клеток и устанавливают паттерны развития, влияющие на будущий радиальный рост. Это происходит через группу мобильных транскрипционных факторов, которые перемещаются из протофлоэмных ситовидных элементов (PSE) в соседние клетки, чтобы стимулировать деление клеток и развитие их идентичности. Активность этих факторов регулируется набором сигналов различной химической природы, таких как фитогормоны, другие транскрипционные факторы и мобильные виды микроРНК.

Понимание этих механизмов может помочь в будущей селекции сельскохозяйственных культур и деревьев для получения более высокой урожайности и максимизации связывания атмосферного углерода за счёт увеличения биомассы лесов.