Как корни растений «видят» воду и направляют свой рост

Растения без глаз, ушей и центральной нервной системы способны воспринимать направление внешних стимулов и реагировать на них для выживания. Например, корни должны прорастать через лабиринт почвы к источникам воды и питательных веществ. Учёные изучают, как растения управляют ветвлением корней, чтобы эффективнее использовать ресурсы среды.

Биолог Хосе Диннени из Института Карнеги и Стэнфордского университета много лет исследует реакцию роста корней на воду, в частности, через явление гидропаттернинга. Этот процесс позволяет растениям оптимизировать ветвление корней для максимального поглощения воды. Подобно тому, как побеги тянутся к свету, корни формируют разветвлённую подземную сеть, где боковые корни отходят от главной оси.

«Мы знали, что растения делают это — ветвятся в сторону воды, — но не понимали механизм, как растение воспринимает этот сигнал среды и реагирует на него», — пояснил Диннени.

Вместе с аспирантом Нилом Роббинсом II они выясняли, локализована ли способность корня стимулировать ветвление в сторону влаги и подавлять его в сухую почву в какой-то его части или распределена по всей структуре.

Используя методы точной микродиссекции и математического моделирования, они обнаружили, что кончик корня, где расширение клеток обеспечивает рост, уникальным образом способен воспринимать сигналы о наличии влаги и направлять ветвление корня в почве. Математическое моделирование показало, что восприятие воды (наблюдаемое по движению воды в корень) сильно зависит от скорости роста корня.

«Когда рост корня замедлялся, его способность реагировать на направление к воде резко снижалась. Эта работа указывает, что активный процесс поглощения воды корнем необходим, чтобы "увидеть", где в почве находится вода, и отреагировать на этот ключевой сигнал среды», — прокомментировал ведущий автор Роббинс.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что сам процесс роста создаёт в растении физическое состояние, которое позволяет ему на уровне органа воспринимать направление к жизненно важному ресурсу.

«Растение, по-видимому, "видит" направление к воде только тогда, когда пытается извлечь её из среды, — сказал Диннени. — Когда расширение клеток не обеспечивает рост, способность видеть направление к воде снижается, и корень либо не может его определить, либо "не заботится" о нём, начиная формировать ответвления во всех направлениях».

Использование потока воды как ключевого показателя её доступности может быть важным механизмом, с помощью которого растение преобразует внешнюю картину распределения влаги в почве во внутренний биофизический паттерн. Понимание того, как растения оптимизируют этот процесс для конкретных почвенных условий, может помочь в создании более водоэффективных растений.