Как почки общаются, чтобы формировать архитектуру растений

Учёные показали, что два ранее раздельных механизма регуляции ветвления растений могут быть связаны, представив наиболее полную картину того, как растения контролируют свою архитектуру.

Исследователи из Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) продемонстрировали, как локальные сигналы в почках связываются с потоками гормонов во всём растении для контроля ветвления. Это открытие имеет значение для будущего улучшения сельскохозяйственных культур.

В основании каждого листа находится крошечный кластер стволовых клеток — пазушная меристема, способная вырасти в новую ветвь. Остаётся ли эта меристема в состоянии покоя или начинает расти, зависит от множества сигналов.

Одним из ключевых регуляторов является транскрипционный фактор BRANCHED1 (BRC1), который действует локально в почках, подавляя их рост. Новое исследование предполагает, что BRC1 участвует в системной регуляции ветвления, изменяя экспорт гормона ауксина из почки в основной стебель.

Ауксин в главном стебле, как известно уже почти век, регулирует активность почек. Он может предотвращать экспорт ауксина из почек, что необходимо для их роста. Таким образом, почки конкурируют за возможность экспортировать свой ауксин в стебель.

Новое исследование сочетает математическое моделирование с измерениями роста почек. Оно показывает, что локальные различия в экспрессии BRC1 между почками помогают определить, какие из них более конкурентоспособны, в то время как системные свойства транспорта ауксина задают общее количество ветвей, которое растение может поддерживать.

Это создаёт поток информации по всему растению, который каждая почка интерпретирует локально. В результате формируется единая модель, объясняющая, как растения регулируют количество и положение ветвей, интегрируя общий баланс роста с условиями среды, такими как свет или доступность питательных веществ.

Например, почка в благоприятном положении (например, при лучшем освещении) может экспрессировать меньше BRC1 и расти быстрее, в то время как соседняя почка с более высокой экспрессией BRC1 может оставаться в покое. При этом системная регуляция через транспорт ауксина обеспечивает баланс общей нагрузки ветвления по всему растению.

«Наше главное открытие заключается в том, что, модулируя транспорт ауксина, локальная экспрессия BRC1 в каждой почке может способствовать системному контролю ветвления», — сказала первый автор исследования доктор Зои Нахас.

Модель не только предсказала экспериментальные результаты в различных генетических и гормональных условиях, но и смогла учесть данные о ранее неизвестном участке транспортера ауксина PIN1, который опосредует его реакцию на гормон строголактон.

Это новое фундаментальное понимание того, как локальные и системные сигналы интегрируются в процессе ветвления, может помочь учёным разработать новые стратегии для оптимизации урожайности, устойчивости и использования ресурсов сельскохозяйственных культур.