Раскрыт секрет геометрии растений

Исследователи из Университета Лидса обнаружили, как растения устанавливают углы наклона своих боковых ветвей.

Хотя другие ключевые особенности архитектуры растений, такие как контроль количества ветвей и их расположение вокруг главного побега, уже хорошо изучены, ученые долгое время не могли понять, как растения устанавливают и поддерживают угол своих боковых ветвей относительно силы тяжести.

Этот механизм фундаментален для понимания формы растений вокруг нас: он объясняет, почему, например, молодой тополь Ломбардский направляет свои ветви почти вертикально вверх, а у саженца дуба крона гораздо более плоская.

Доктор Стефан Кепински, старший преподаватель факультета биологических наук Университета Лидса и ведущий автор статьи в журнале Current Biology, раскрывающей эту загадку, сказал: «Мы начали работать над этим после поездки на поезде в Лидс. Глядя в окно, я был поражен тем, что мы распознаем виды деревьев и других растений на расстоянии в основном по углу, под которым растут их ветви».

Загадка того, как растение устанавливает и поддерживает эти углы в своей архитектуре, осложняется тем, что угол ветвей корня и побега обычно задается не относительно главного корня или стебля, от которого они растут, а относительно силы тяжести. Если растение положить на бок, эти ветви начнут фазу изгибающего роста, известную как гравитропизм, которая переориентирует их обратно к их первоначальному углу роста относительно гравитации.

В случае главного корня или стебля, которые растут вертикально, механизм хорошо понятен: клетки, чувствительные к гравитации, называемые статоцитами, обнаруживают, что растение наклонили, что приводит к увеличению движения регулирующего рост гормона ауксина на нижнюю сторону побега или корня и стимулирует рост вверх у побега и вниз у корня. Когда рост снова становится вертикальным, статоциты прекращают посылать больше ауксина на одну сторону, чем на другую, и изгибающий рост прекращается.

Загадкой для исследователей было то, что многие углы в архитектуре ветвей и корней находятся под углом к гравитации, а не являются полностью вертикальными. Ученые не понимали, как растения способны устанавливать относительно гравитации определенный невертикальный угол роста для своих ветвей — известный как их «гравитропическая заданная точка угла» (gravitropic set-point angle), — который определяет их архитектуру.

Доктор Кепински сказал: «Мы обнаружили, что другой компонент роста — «антигравитропическое смещение» (anti-gravitropic offset) — противодействует нормальному гравитропическому росту в этих боковых ветвях. Этот механизм смещения поддерживает рост на противоположной стороне ветви от гравитационно-чувствительного роста и не позволяет ветви отклониться за пределы заданного угла к вертикали. Оказывается, это противодействующее движение также управляется ауксином, тем же гормоном, который вызывает гравитационно-зависимый рост на нижней стороне ветви».

Ветви, растущие близко к вертикали, имеют слабое антигравитропическое смещение, в то время как у ветвей, растущих под малыми углами от вертикали, антигравитропическое смещение относительно сильное.

Команда из Лидса доказала наличие этого смещения, используя клиностат, который медленно вращает растение, растущее на боку, тем самым лишая его стабильной гравитационной точки отсчета и позволяя исследователям наблюдать за работой механизма антигравитропического смещения, не противодействуемого скоординированным гравитропическим ответом. В этих условиях они наблюдали, что ветви побегов и корней демонстрируют изгибающий рост наружу, от главного корня и побега, который в норме маскируется взаимодействием с гравитационно-чувствительным ростом.

Доктор Кепински добавил: «Угол роста ветвей является исключительно важной адаптацией, потому что он определяет способность растения захватывать ресурсы над и под землей. В зависимости от типа почвы, растению может быть выгодно добывать питательные вещества в верхнем слое почвы или уходить глубже. Точно так же, в побеге растение может получить преимущество, имея более круто расположенные ветви, чтобы избежать затенения соседними растениями».

Он добавил: «Эти открытия важны для селекции и биотехнологических подходов к улучшению сельскохозяйственных культур, потому что селекционеры и семенные компании хотят иметь возможность изменять архитектуру растений для оптимизации урожайности. Например, было показано, что угол роста боковых корней критически важен для увеличения поглощения питательных веществ как у широколистных, так и у злаковых культур. Наши результаты предоставляют инструменты и подходы для решения этих задач по улучшению культур».

Команда использовала в своих экспериментах цветковое растение Arabidopsis thaliana (резуховидку Таля), а также растения гороха, фасоли и риса, наблюдая одинаковые результаты.

Кепински ожидает, что тот же механизм будет наблюдаться у более крупных растений и молодых саженцев деревьев. У старых деревьев механизмы, управляющие гравитационно-чувствительным ростом в древесных тканях, отличаются от таковых у недревесных растений. Тем не менее, Кепински говорит, что те же общие принципы могут применяться.