Как растения образуют воздушные корни

Корни обычно ассоциируются с подземными частями растений. Однако многие растения формируют корни над землёй. Например, плющ использует их для лазания, а фикус — для поддержки крупных ветвей.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, профессор Идан Эфрони и его команда из Еврейского университета в Иерусалиме обнаружили скрытый механизм, позволяющий формировать воздушные корни. Разложив стебель на отдельные клетки, учёные выявили крайне редкие клетки, которые при определённых условиях инициируют рост корней в воздухе.

"Внешне эти клетки похожи на другие, поэтому их так долго не могли обнаружить", — пояснил Эфрони. Используя новые методы, команда проанализировала тысячи клеток по одной. Исследователи знали, что, найдя клетки, способные создавать корни, они смогут обнаружить "переключатель", который их активирует.

Растения образуют корни из небольших органов — меристем. Изучая уникальные клетки, доктор Наама Гиль-Яром смогла зафиксировать момент создания меристемы и определить гены, активные в точке перехода. Особенно выделился один ген. Когда студент PhD Мутасем Омари использовал CRISPR для его удаления, растения потеряли способность формировать воздушные корни.

Изучая геном, команда сделала неожиданное открытие. Рядом с геном, контролирующим образование воздушных корней, находился очень похожий ген. "Мы сразу узнали его из предыдущих исследований как ген, контролирующий формирование подземных корней", — поделился Эфрони. Когда исследователи отключили все эти гены, растения не смогли образовывать корни вообще.

Проследив эволюцию этих генов, команда обнаружила, что многие важные сельскохозяйственные культуры, такие как батат, фасоль, томат, рис, кукуруза и пшеница, обладают этой двойной системой контроля корнеобразования.

"Способность образовывать воздушные корни даёт растению большое преимущество", — объяснил Эфрони. Если подземные корни затоплены или повреждены, растение может вырастить воздушные корни и выжить. Растения развили эту способность очень рано и не забыли, как это делать.

Однако то, что полезно в природе, может быть недостатком в сельском хозяйстве. Многие растения прививают, объединяя корневую систему одного растения с надземной частью другого. Это позволяет выращивать растения, устойчивые к почвенным болезням. Но если привитая часть образует воздушный корень, он обходит устойчивость к почвенным патогенам, сводя на нет усилия по прививке. Благодаря открытию Эфрони и его команды теперь известно, на какие гены нужно воздействовать, чтобы создать растения без воздушных корней, сделав практику прививки более эффективной.

В дальнейшем группа планирует модифицировать ДНК в кластере контроля корнеобразования, чтобы создавать кастомизированные надземные и подземные корневые системы. "Чтобы максимально эффективно использовать землю, нам необходимо оптимизировать рост сельскохозяйственных культур и использование ресурсов. Это сложная задача, но шаг за шагом мы приближаемся к её решению", — заключил Эфрони.