Растения держатся вместе благодаря «клею»: исследование показывает, как они выдерживают нагрузки при росте
Малоизвестное водное растение помогло объяснить, как растения избегают растрескивания под воздействием напряжений, возникающих в процессе роста.
Исследование, проведённое доктором Робертом Келли-Беллоу и Карен Ли в группе профессора Энрико Коэна из Центра Джона Иннеса, началось с любопытного наблюдения за карликовым мутантом хищного растения Utricularia gibba.
Стебли этого плавающего растения заполнены воздушными полостями, и эта полость означает, что внутренняя сосудистая колонна может изгибаться под нагрузкой. Этот эффект не был бы заметен у большинства растений со сплошными стеблями.
Исследователи увидели, что у карликового мутанта центральная колонна была волнистой, а не прямой. Они выдвинули гипотезу, что эта «шаткая опора» вызвана внутренним конфликтом — несоответствием между процессами внутри стебля и в его эпидермисе (коже). Вычислительное моделирование соавтора доктора Ричарда Кеннауэра показало, что эта идея может объяснить наблюдения.
Статья опубликована в журнале Science.
«Мы поняли, что у таких карликов только эпидермис, кожа стебля, хочет быть коротким, в то время как внутренние ткани всё ещё стремятся быть длинными, отсюда и эффект изгиба», — объясняет профессор Энрико Коэн, автор исследования.
«Это стало неожиданностью — ранее считалось, что карликовые разновидности, очень важные в сельском хозяйстве, являются таковыми, потому что всё в стебле растёт меньше. Но в данном случае это только кожа, создающая своего рода смирительную рубашку».
Дальнейшие исследования показали, что у карликового мутанта Utricularia gibba отсутствовал гормон роста под названием брассиностероид. Исследователи предположили, что этот гормон обычно позволяет коже растягиваться, делая «смирительную рубашку» более податливой и позволяя стеблю удлиняться.
Чтобы проверить эту идею, они использовали мутант модельного растения Arabidopsis, который ослабляет «клей» между клетками, чтобы посмотреть, приведёт ли снижение уровня брассиностероида к образованию крупных трещин в кожице стебля из-за возникающих напряжений.
«Именно это мы и увидели, — объясняет профессор Коэн. — Обычно стебель Arabidopsis с ослабленным клеем будет слегка трескаться, потому что гормон присутствует, чтобы ослабить смирительную рубашку. Но когда гормона не было, кожица полностью срывалась, и растение оставалось почти без кожи».
Вычислительное моделирование соавтора профессора Ричарда Смита показало, что гормон брассиностероид, вероятно, ослабляет «смирительную рубашку», разрыхляя волокна в клеточных стенках эпидермиса.
«Растительные клетки склеены вместе и вынуждены вести себя согласованно именно благодаря пектину — своему клею, который их связывает. Наше исследование показывает, что это невероятно мощная сила; клей настолько силён, что достаточно изменить рост в одном слое, и остальные клетки последуют за ним», — говорит профессор Коэн.
«Предыдущие исследования подчёркивали, что растения посылают молекулярные сигналы для согласованного роста, и это всё ещё часть объяснения. Но наша работа показывает, что «клейкость» растительных клеток также является жизненно важным компонентом координации роста. Быть склеенными вместе очень важно».
Соавтор доктор Кристофер Уайтвудс из Лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета подчёркивает потенциальную важность этих выводов для будущих исследований. «Тот факт, что механическое взаимодействие между клеточными слоями контролирует рост стеблей у двух совершенно разных видов, ставит вопрос: контролирует ли оно другие аспекты развития растений, например, сложное внутреннее строение листьев? Мы хотим проверить, так ли это».
Результаты проливают свет на карликовые сорта сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и рис, которые лежат в основе «Зелёной революции» в сельском хозяйстве, объясняя, как гены контролируют их рост и как мы можем повысить их эффективность в будущем.
Выводы также относятся к процессам развития у животных, таким как формирование трещин на коже крокодила или формирование кишечника, где механическое взаимодействие между слоями также, как полагают, играет роль.
«Первый взгляд на извилистую ткань нашего карликового водного растения был захватывающим, потому что, как только мы это увидели, у нас появилась идея о возможной причине. Но наибольшее волнение пришло от проверки этой идеи в совершенно другой системе, — размышляет профессор Коэн. — Природа неуловима. Девяносто девять процентов хороших идей терпят крах при критической проверке. Но иногда идея выживает, и тогда ты понимаешь, что природа открыла тебе один из своих секретов».