Одно из самых важных событий в истории эволюции произошло около 500 миллионов лет назад с распространением растительной жизни из воды на сушу. Чтобы растения процветали в этой новой среде, корневая система должна была развиваться, чтобы расти вниз, следуя гравитации с двумя основными целями: закрепление в почве и обеспечение источника воды и питательных веществ для роста частей растения над землей. Этот механизм, называемый гравитропизмом, широко изучался на цветковых растениях, таких как Arabidopsis thaliana. Тем не менее, он никогда не подвергался систематическому сравнению со всем царством растений, и его эволюционное происхождение остается загадкой.
Вниз, вниз, вниз - но с разной скоростью
Теперь Юйчжоу Чжан, постдоктор в группе профессора Джи?и Фримля, и его команда получили более широкое представление о том, как и когда развился корневой гравитропизм. Исследователи отобрали несколько видов растений, представляющих линии мхов, плауновых (плаунов и твердых мхов), папоротников, голосеменных (хвойных) и цветковых растений, и позволили их корням расти горизонтально, чтобы наблюдать, когда они начали наклоняться вниз, следуя гравитации. Результат: рост корней под действием силы тяжести оказался очень рудиментарным и медленным у самых примитивных наземных растений (мхов), а также у основных сосудистых растений (плаунов и папоротников). Только семенные растения (голосеменные и цветковые), которые впервые появились около 350 миллионов лет назад, продемонстрировали более быструю и, следовательно, более эффективную форму гравитропизма.
Сила крахмала
Но какой эволюционный шаг сделал возможным этот быстрый и эффективный корневой гравитропизм у семенных растений? Анализируя различные фазы гравитропизма - восприятие гравитации, передачу гравитропного сигнала и, в конечном счете, саму реакцию роста - исследователи обнаружили два важных компонента, которые развивались рука об руку. Первая оказалась анатомической особенностью: органеллы растений, называемые амилопластами, плотно заполненные гранулами крахмала, оседают под действием силы тяжести и таким образом функционируют как датчики гравитации. Однако этот процесс седиментации наблюдался только у голосеменных и цветковых растений, при этом амилопласты концентрировались в самом низу кончика корня. Напротив, у более ранних растений амилопласты оставались случайным образом распределенными внутри и над кончиком корня, поэтому они не функционировали как датчики гравитации, как это было у семенных растений.
Специальный PIN-код для ауксина
После восприятия через амилопласты гравитационный сигнал далее передается от клетки к клетке гормоном роста ауксином. В генетических экспериментах исследователи идентифицировали специфическую молекулу-транспортер в модельном растении Arabidopsis thaliana, PIN2, которая направляет поток ауксина и, следовательно, рост корней. В то время как почти все зеленые растения несут белки PIN, только специфическая молекула PIN2 в семенных растениях собирается на обращенной к побегам стороне эпидермальных клеток корня. Эта специфическая локализация, уникальная для семенных растений, приводит к поляризации клеток-переносчиков, что, в свою очередь, позволяет корню транспортировать ауксин к побегу и, таким образом, сигнал на основе ауксина перемещается от места восприятия гравитации к зоне регулирования роста.
Растения как учителя человечества
Определив эти два анатомических и функциональных компонента, авторы получили ценную информацию об эволюции корневого гравитропизма, который является одной из важнейших адаптаций семенных растений к земле. Но даже практические последствия этих открытий возможны: «Теперь, когда мы начали понимать, что нужно растениям для стабильного закрепления, чтобы получить питательные вещества и воду в глубоких слоях почвы, мы, возможно, в конечном итоге сможем найти способы улучшить рост сельскохозяйственных культур и других растений в очень засушливых районах», - говорит Чжан, который присоединился к IST Austria в 2016 году. Он добавляет: «Природа намного умнее нас; мы можем многому научиться у растений, которые в конечном итоге пользу для нас."