Учёные выяснили механизмы роста корней и восстановления клеток растений

Понимание работы корней растений важно для изучения их адаптации к неблагоприятным условиям, таким как засуха. Два новых исследования описывают ключевые механизмы. Первое, опубликованное в Molecular Systems Biology, объясняет, как клетки прекращают рост при дифференцировке; второе, в Journal of Cell Science, — как растения восполняют повреждённые клетки.

Первое исследование провела группа биолога Аны Каньо Дельгадо в Университете Барселоны (UBICS). Второе выполнено той же группой в CRAG.

Как клетки понимают, когда нужно остановить рост?

Корень растения Arabidopsis thaliana, использованный в исследованиях, имеет простую структуру. Клетки с разными функциями в нём разделены. Стволовые клетки находятся на кончике, окружённые дочерними клетками, которые делятся, образуя ткани корня. Дочерние клетки растут в длину и дифференцируются, приобретая специализированные функции для транспорта воды и питательных веществ. Для роста и адаптации корня к среде деление, удлинение и дифференцировка клеток должны быть строго скоординированы.

Команды Марты Ибаньес и Аны Каньо Дельгадо предложили три гипотезы, объясняющие, как клетки понимают, когда остановить рост: по истечении определённого времени после деления; по своему положению в корне; или по достижению определённого размера. Чтобы проверить гипотезы, исследователь Ирина Павелеску создала три аналитические и вычислительные модели роста корня. Их проверили на реальных измерениях длины клеток корней Arabidopsis, выполненных с помощью конфокальной микроскопии в CRAG. «Основной вывод: клетки корня останавливают рост и начинают дифференцировку, когда достигают определённого размера», — говорит Марта Ибаньес (UB, UBICS).

С помощью математических моделей учёные также объяснили влияние растительных стероидных гормонов, брассиностероидов, на рост корня. Они измерили клетки растений Arabidopsis, у которых из-за отсутствия рецептора к стероидным гормонам корень и стебель были маленькими. Исследование показало, что рост корня возобновлялся, когда с помощью методов молекулярной биологии рецептор брассиностероидов восстанавливали только в делящихся клетках. Это указывает, что эффект гормона сохраняется в клетке на протяжении всей фазы её роста.

Стероиды растений необходимы для регенерации клеток

Исследовательская группа в CRAG под руководством Аны Каньо Дельгадо также выяснила новые детали о росте корня и способности к восстановлению клеток после повреждения. В частности, исследование показало, что когда стволовые клетки корня погибают из-за геномного стресса, сигнал стероидного гормона передаётся резервным стволовым клеткам, чтобы те делились и замещали повреждённые. Таким образом рост корня продолжается.

«Растительные стероиды, в отличие от большинства гормонов, не транспортируются на большие расстояния. Однако наше исследование доказывает, что существует их транспорт на короткие дистанции, и это важно для коммуникации клеток во время обновления», — говорит Фидель Лосано Элена, аспирант CRAG и первый автор исследования. «Эта более сложная система сигнализации между группами клеток делает растения более устойчивыми», — добавляет Айноа Планас Риверола, также первый автор и PhD-студент группы.

«Если мы сможем модулировать эти процессы в корне, то сделаем корни сильнее, лучше закреплёнными и, следовательно, более устойчивыми к вызовам изменения климата», — говорит Ана Каньо Дельгадо. Нельзя забывать, что засухи — сейчас самая серьёзная проблема в сельском хозяйстве. В Испании несколько лет подряд выпадает меньше нормы осадков, и, согласно отчёту Союза мелких фермеров и скотоводов (UPA), в 2017 году засуха нанесла ущерб аграрному сектору страны более чем на 3600 миллионов евро, в основном из-за потери продуктивности культур. Эта ситуация характерна для всех континентов и ставит под угрозу возможность прокормить растущее население. «Поэтому необходимо получить культуры, которые смогут производить безопасную и качественную пищу в достаточных количествах, используя меньше воды», — заключает Каньо Дельгадо.