Растения игнорируют гравитацию во время засухи в поисках воды
Корни "чувствуют" гравитацию, чтобы расти вглубь и закрепляться в почве, но могут менять направление роста к источнику воды. Новое исследование ученых из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Северо-Западного университета A&F в Китае показывает, что эта перемена стимулируется засушливыми условиями, которые подавляют способность корней ощущать гравитацию. Эти знания могут быть полезны для создания растений, устойчивых к экстремальным погодным условиям.
Растения постоянно растут, реагируя на сигналы среды. Они направляют побеги к солнцу (фототропизм), а корни растут вниз под действием гравитации Земли (гравитропизм). Кроме того, они изгибают корни к влажным участкам почвы, обеспечивая доступ к воде — это поведение называется гидротропизмом.
В то время как фототропизм и гравитропизм изучены относительно хорошо, о гидротропизме известно меньше, хотя он критически важен, особенно в условиях изменения климата.
Новое исследование лауреата Премии Витгенштейна 2024 года профессора Иржи Фримла и аспирантки Адрияны Смолян (ISTA) и их коллег из Китая раскрыло новые детали. Работа показывает, что поиск воды требует подавления гравитропизма с помощью главного регулятора гидротропизма — белка «MIZ1». Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Устранение гравитации
Чтобы глубже изучить гидротропизм, ученые хотели понять, что происходит, когда гравитация больше не влияет на рост корней. Они поместили чашки Петри с проростками A. thaliana на медленно вращающуюся платформу. Постоянное вращение меняло направление гравитации, и растение не могло определить ее источник.
«Устранив гравитацию, мы видим, что гидротропизм становится намного сильнее, — объясняет Фримл. — При нормальных условиях с достатком воды обычно преобладает гравитропизм. Однако если его "выключить", эффекты гидротропизма становятся очевидными».
В условиях засухи растения отдают приоритет воде, а не гравитации
Ученые обнаружили, что во время засухи растения естественным образом начинают подавлять гравитропизм. «Это логично, — говорит Фримл. — Поиск воды внезапно становится важнее, чем рост вниз, поэтому в засушливых условиях гравитропизм ослабевает, позволяя растениям становиться более гидротропными».
Ключевым триггером этого переключения оказался белок MIZ1, идентифицированный японскими учеными десятилетия назад как один из немногих известных генов, важных для гидротропизма.
Исследователи сравнили мутантные растения, лишенные MIZ1, с дикими типами («нормальными»). Они обнаружили, что у мутантов MIZ1 подавление гравитропизма в ответ на засуху не работает. Гравитропизм оставался сильным, и растения демонстрировали дефект в поиске воды. По сути, без MIZ1 растения не могут эффективно искать воду, так как этот белок помогает ослабить гравитропизм корней.
Поиск воды и изменение климата
Понимание того, как растения находят воду и реагируют на засуху, крайне важно на фоне изменения климата. «Например, прошлая зима в Вене была особенно сухой, — объясняет Смолян. — На метеостанции Хоэ Варте зафиксировали всего 32 литра осадков на квадратный метр против обычных 130 литров. В результате почва сильно высохла, повысив риск лесных пожаров даже зимой».
Такие экстремальные условия подчеркивают значимость этого исследования. Чем лучше мы понимаем механизмы поиска воды, тем больше можем помочь в создании засухоустойчивых растений — что критически важно для сельского хозяйства.
«Выявляя варианты кукурузы или пшеницы с высокоактивным белком MIZ1, их можно внедрить в высокоурожайные сорта. Теоретически это может привести к появлению более гидротропных растений с улучшенным поглощением воды во время засух», — добавляет Фримл.