Удивительная система, которую растения используют для формирования корней, и почему это может помочь защитить урожай от изменения климата

Растения колонизировали большую часть поверхности Земли. Ключ к их успеху — отличная адаптация к местным условиям. Изучение растений важно не только для науки, но и для обеспечения будущего сельского хозяйства, поскольку изменение климата делает погоду всё более экстремальной.

Корни, скрытая половина растений, используют сигналы из окружающей среды, чтобы оптимизировать свою форму для поиска воды и питательных веществ. Они адаптируются к стрессам, таким как засуха, например, ветвлением для увеличения площади поверхности. Однако до недавнего времени было неясно, как корни чувствуют наличие воды в окружающей почве.

Вода — важнейшая молекула на Земле. Изменение климата делает режим осадков всё более непредсказуемым, учащая как наводнения, так и засухи. Поэтому понимание реакции растений на нехватку воды жизненно важно для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур.

Как корни находят воду

Международная команда учёных недавно обнаружила, как корни растений адаптируют свою форму для максимизации поглощения воды. В норме корни ветвятся горизонтально. Но они приостанавливают ветвление, когда теряют контакт с водой (например, прорастая через воздушную полость в почве), и возобновляют его только после восстановления связи с влажной почвой.

Исследование показало, что растения используют систему гидросигналинга, чтобы управлять ветвлением корней в ответ на доступность воды в почве.

Гидросигналинг — это способ, которым растения чувствуют, где находится вода, измеряя не уровень влажности напрямую, а другие растворимые молекулы (включая гормоны), которые перемещаются вместе с водой внутри растения. Это возможно благодаря тому, что клетки растений соединены друг с другом мелкими порами (плазмодесмами).

• Когда корень поглощает воду из почвы, она движется через внешние клетки эпидермиса.
• Эти внешние клетки также содержат гормон ауксин, способствующий ветвлению. Поступление воды запускает ветвление, мобилизуя ауксин внутрь, к тканям корня.
• Когда вода извне недоступна (например, в воздушной полости), кончик корня для роста вынужден использовать воду из собственных сосудов глубоко внутри корня.
• Это меняет направление движения воды на обратное (изнутри наружу), что нарушает поток гормона ветвления ауксина.

Кроме того, растение вырабатывает в сосудах корня анти-ветвящий гормон ABA (абсцизовую кислоту). ABA также движется с потоком воды, но в направлении, противоположном ауксину. Таким образом, когда корни используют воду из сосудов растения, они также «подтягивают» к себе гормон ABA.

ABA останавливает ветвление корней, закрывая мелкие поры (плазмодесмы), соединяющие клетки корня, подобно гермодверям на корабле. Это изолирует клетки друг от друга, останавливает свободное движение ауксина с водой и блокирует ветвление.

Эта простая система позволяет корням тонко настраивать свою форму в соответствии с локальными условиями влажности. Процесс получил название ксероветвление (xerobranching).

Универсальный механизм цветковых растений

Исследование также показало, что корни растений используют систему, аналогичную той, что уменьшает потерю воды побегами. Листья закрывают устьица во время засухи, что также запускается гормоном ABA. Аналогично, в корнях ABA уменьшает потерю воды, закрывая нанопоры (плазмодесмы).

Корни томата, резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), кукурузы, пшеницы и ячменя одинаково реагируют на влажность таким способом, несмотря на эволюцию в разных почвах и климатах. Это говорит о том, что ксероветвление — общая черта цветковых растений, которые более чем на 200 миллионов лет моложе нецветковых растений, таких как папоротники.

Корни папоротников, одной из ранних групп наземных растений, не реагируют на воду таким образом. Их корни растут более равномерно. Это позволяет предположить, что цветковые виды лучше адаптированы к водному стрессу, чем более ранние наземные растения.

Цветковые растения могут колонизировать более широкий диапазон экосистем. Учитывая быстрые изменения в режиме осадков по всему миру, способность растений чувствовать и адаптироваться к широкому спектру условий влажности почвы сейчас важна как никогда.