Вода задаёт план архитектуры корневой системы
Почва представляет собой микроскопический лабиринт, в котором обитает множество форм жизни. Растения исследуют эту среду, развивая сложную разветвлённую сеть корней для доступа к дефицитным ресурсам, таким как вода и питательные вещества. Остаётся неясным, как корни определяют, какие участки почвы содержат воду, и как эта влага влияет на архитектуру корневой системы.
Новое исследование команды под руководством Хосе Диннени из Института Карнеги сосредоточено на том, как физические свойства локальной среды корня контролируют его ветвление и через какие пути развития действуют эти сигналы. Их выводы, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, описывают новый процесс — гидропаттернинг, — который позволяет растениям оптимизировать ветвление корней для поглощения воды.
Корни растений образуют разветвлённую сеть, аналогичную надземной, с боковыми корнями, растущими от главной оси. Поскольку вода распределена в почве неравномерно, структура корневой сети должна регулироваться для оптимизации исследования почвы и ограничения роста в засушливые области.
Команда Диннени разработала методы выращивания корней в средах с жёстко контролируемым распределением воды и воздуха вокруг корня. Анализируя положение, где формируются новые ответвления, исследователи обнаружили, что растения стремятся размещать эти боковые корни в непосредственной близости от воды, в то время как крошечные корневые волоски появляются в областях, подверженных воздействию воздуха.
Их работа показала, что противоположные стороны одного и того же корня оптимизированы для использования ресурсов воздуха или воды в зависимости от условий среды. Совместно с коллегами Малкольмом Беннеттом и Сашей Муни из Ноттингемского университета с помощью микро-рентгеновской томографии были созданы 3D-модели корней, растущих в почве, которые подтвердили, что аналогичные процессы происходят и в этой, более естественной среде.
«Мы совершенно недооценили пространственную остроту системы паттернинга в корне. Было удивительно обнаружить, что корни могут реагировать на изменения условий среды на расстояниях всего в 100 микрон — это размер типичной частицы почвы», — сказал Диннени.
Команда назвала это новое явление гидропаттернингом и наблюдала его у нескольких видов растений, включая важные сельскохозяйственные культуры — кукурузу и рис. Процесс контролируется сигнальными путями в растении, отличными от ранее описанных реакций на засуху, что позволяет предположить, что гидропаттернинг может быть важен для регуляции ветвления корней в условиях отсутствия стресса.
«Это простое наблюдение открывает для нас целую новую область исследований. То, как клетки растений различают влажную и сухую среду, — важный рубеж, который может привести к лучшему пониманию того, как растения эффективно используют воду», — отметил Диннени.