Гормональное перетягивание каната помогает корням растений ориентироваться в почве

Международная исследовательская группа выявила сложный механизм, позволяющий корням растений быстро реагировать на изменения условий в почве.

Учёные из Центра Джона Иннеса и Университета Сапиенца в Риме объединили математическое и компьютерное моделирование с молекулярной генетикой, чтобы показать, как корни могут регулировать свой рост с помощью взаимодействия двух антагонистических гормонов — ауксина и цитокинина.

По мере роста корня и непрерывного деления клеток меристемы на кончике, эти клетки остаются позади относительно движущейся верхушки. Когда клетки достигают определённого расстояния от кончика, называемого переходной позицией, они перестают делиться и вместо этого начинают удлиняться, пока не достигнут максимальной длины.

Но как клетки «понимают», что достигли переходной позиции между делением и удлинением? Какой сигнал они считывают?

По словам доктора Вероники Гринейзен из Центра Джона Иннеса, это связано с так называемой позиционной информацией — общей чертой всех развивающихся организмов: «Клетки, хотя изначально все идентичны, должны менять судьбу или поведение в зависимости от того, где они расположены в эмбрионе или органе. Это и есть позиционная информация».

Чтобы решить эту загадку, командам доктора Гринейзен и доктора Стэна Марэ из Центра Джона Иннеса нужно было выяснить, какая «позиционная информация» доступна в переходной зоне, чтобы клетки могли понять, что они находятся в правильном месте для смены поведения с деления (зона меристемы) на удлинение (зона растяжения), и как эта информация устанавливается и позиционируется.

Предыдущие исследования показали, что гормон ауксин присутствует в очень высоких концентрациях на кончике корня для поддержания определённых клеток в качестве стволовых, и что это результат быстрой динамики циркуляции ауксина, обусловленной PIN-белками (белками, которые перекачивают ауксин через корень).

Вычислительная работа выявила, как эти потоки ауксина позволяют максимуму ауксина и связанному с ним градиенту двигаться вместе с растущим корнем, обеспечивая часть необходимой позиционной информации для координации зоны меристемы.

Однако дальнейшие недавние работы показали, что ауксин не регулирует переход в одиночку. Антагонистическое взаимодействие (cross-talk) между ауксином и другим гормоном, цитокинином, могло как стабилизировать размер зоны меристемы, так и изменять его — тем самым либо стабилизируя рост корня, либо меняя его скорость.

Гринейзен и Сабатини объединили усилия и вместе с лабораторией Марэ разработали компьютерную модель корня, в которой изучалось действие цитокинина на транспорт и распад ауксина.

Они обнаружили, что влияние цитокинина создаёт очень типичную картину концентраций ауксина в корне: как и прежде, с максимумом ауксина на кончике, но они заметили, что провал (dip) в уровне ауксина появился прямо в переходной зоне этой вычислительной модели. Это затем было подтверждено экспериментально.

Доктор Гринейзен объясняет: «Это как долина между двумя крутыми горами. Клетки корня, перемещаясь по ландшафту ауксина, переходят от высокого уровня ауксина в меристеме в область низких уровней, а затем снова быстро испытывают повышение ауксина. Просто ощущая относительные изменения ауксина, клетки надёжно замечают, что достигли минимума ауксина и, следовательно, точки перехода, запуская смену поведения».

Эксперименты на корнях Arabidopsis показали, что перетягивание каната между цитокинином и ауксином приводит к тому, что этот минимум ауксина располагается либо ближе к кончику корня (если цитокинин «выигрывает» перетягивание каната), либо дальше от кончика (когда «выигрывает» ауксин).

В природе этот механизм позволяет корню реагировать на окружающую среду, разрастаясь в благоприятных условиях и ограничивая рост в неблагоприятных.

Результаты опубликованы в статье: «Минимум ауксина запускает переключение развития от деления клеток к дифференцировке клеток в корне Arabidopsis»: Proceedings of the National Academy of Sciences.