Как только мы начнем красить волосы, мы можем быть удивлены, узнав, что у нас возникает общая проблема с биологами растений: найти правильный краситель для наших корней. В случае с биологами нужно правильное химическое вещество, чтобы точно измерить, как растут корни растений. Теперь исследователь из Института Солка обнаружил флуоресцентный краситель, который в сочетании с другими методами визуализации показывает, что рост корней зависит от основного растительного гормона в большей степени, чем считалось ранее..
Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, может быть полезна для многих типов исследований растений, а также для более полного понимания гормона ауксина, который играет важную роль в росте и многих других важных для растений условиях. процессы. Понимание ауксина может, например, помочь в выращивании быстрорастущих культур или помочь смягчить такие последствия изменения климата, как засуха или раннее цветение..
«Более 130 лет назад Чарльз Дарвин постулировал, что в растениях может быть вещество, стимулирующее рост», - говорит доцент Вольфганг Буш, член лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка и старший автор новой статьи.. «Сегодня мы знаем, что это вещество является гормоном ауксином, и современные научные инструменты наконец-то позволяют нам глубоко исследовать его роль в качестве основного фактора структуры и роста растений».
Одной из давних загадок о растениях является то, как они растут, потому что жесткая внешняя клеточная стенка, которая дает им структурную поддержку, также сдерживает клетки от расширения. Одно рабочее объяснение называется гипотезой кислотного роста, в которой говорится, что ауксин сообщает растительным клеткам перекачивать кислоту в пространство между клетками и окружающей клеточной стенкой, чтобы вызвать ферменты, ослабляющие клеточную стенку. Точно так же, как ослабление пояса после обильного приема пищи дает пространство для расширения живота, ослабление клеточной стенки дает пространство для роста растительных клеток. Было показано, что теория подкисления довольно точна для побегов растений, но ее труднее доказать для корней. Некоторые исследования показали, что ауксин фактически стимулирует подщелачивание (противоположное подкислению) корней. Одна из сложностей понимания этого заключается в том, что pH очень трудно измерить в корнях.
Команда под руководством Солка, в которую входили исследователи из Венского института молекулярной биологии растений имени Грегора Менделя (где раньше базировался Буш), решила изучить вопрос о том, как растут корни. Они знали, что сначала им нужно решить проблему измерения pH для определения кислотности. Поэтому они протестировали ряд химических веществ, которые, по их мнению, могли бы быть хорошими красителями, чувствительными к pH, и обнаружили, что флуоресцентное химическое вещество (сокращенно HPTS) отвечает всем требованиям. Тесты, проведенные командой, подтвердили, что краситель надежно указывал на различные уровни pH способами, которые можно было визуализировать с помощью инструмента, называемого конфокальным лазерным сканирующим микроскопом.
Затем они приступили к установлению того, что pH фактически коррелирует с ростом клеток. Они измерили длину клеток в корнях сорняка Arabidopsis thaliana (родственника капусты) до и после погружения рассады растений в питательную среду и проверки их рН. До того, как клетки начали расти, рН был щелочным, во время роста рН был кислым, а в конце периода роста рН возвращался к исходному уровню щелочности. Команда обнаружила, что они также могут запускать или останавливать рост, погружая корни в кислые или щелочные жидкости. В совокупности эти эксперименты подтвердили, что подкисление способствует удлинению клеток корня.
«Очень увлекательно наблюдать на клеточном уровне, что такая простая химическая характеристика, как pH, является движущей силой удлинения клеток корня», - говорит Эльке Барбез, научный сотрудник Института Грегора Менделя и первый автор статьи..
Затем команда обратилась к вопросу о том, было ли закисление вызвано ауксином. Чтобы визуализировать гормон, они использовали флуоресцентные метки, которые были прикреплены к белку, который связывается с ауксином, а затем измеряли длину клеток, рН и уровни ауксина у нормальных проростков, а также у проростков, которые не могли вырабатывать гормон или не могли правильно на него реагировать..
Их результаты указали на более сложную роль ауксина, чем считалось ранее: в низких концентрациях ауксин действительно вызывал подкисление и ослабление клеточной стенки, обеспечивая рост корней. Но в высоких концентрациях ауксин запускал подщелачивание, что подавляло рост. Однако ингибирующий эффект длился всего два часа. Работа группы дает ключ к разгадке того, почему предыдущие исследования были настолько запутанными или противоречивыми: в слишком коротких временных масштабах двойная («двухфазная») природа ауксина не очевидна.
Мы воодушевлены этими результатами не только потому, что они проясняют сложную природу передачи сигналов ауксина, но и потому, что понимание того, как этот основной растительный гормон работает в различных временных масштабах, может быть чрезвычайно важно для любых усилий по увеличению продуктивности сельскохозяйственных культур или повышению рост корней как способ защиты растений от засухи», - добавляет Буш.