Исследователи Duke изучали то, что происходит слишком медленно, чтобы наши глаза могли это увидеть. Команда из лаборатории биолога Филипа Бенфи хотела увидеть, как корни растений зарываются в почву. Поэтому они установили камеру на семена риса, прорастающие в прозрачном геле, и делали новый снимок каждые 15 минут в течение нескольких дней после прорастания.
Когда они воспроизвели отснятый материал со скоростью 15 кадров в секунду, сжав 100 часов роста менее чем за минуту, они увидели, что корни риса используют трюк, чтобы впервые закрепиться в почве: их растущие кончики делают штопор -подобные движения, виляющие и извивающиеся по винтовой траектории.
Используя замедленную съемку вместе с похожим на корень роботом для проверки идей, исследователи получили новое представление о том, как и почему кончики корней растений закручиваются по мере их роста.
Первая подсказка пришла из того, что заметила команда: некоторые корни не умеют танцевать штопор. Они обнаружили, что виновата мутация в гене под названием HK1, которая заставляет их расти прямо вниз, а не извиваться, как это делают другие корни.
Команда также отметила, что корни мутантов росли в два раза глубже, чем нормальные. В связи с этим возник вопрос: «Что дает растению более типичный спиралевидный рост кончиков?» - сказал Исайя Тейлор, научный сотрудник лаборатории Бенфи в Университете Дьюка.
Вихревые движения растений были «феноменом, который очаровывал Чарльза Дарвина» еще 150 лет назад, сказал Бенфи. В случае побегов есть очевидная польза: скручивание и кружение облегчают захват, когда они поднимаются к солнечному свету. Но как и почему это происходит в корнях, было большей загадкой.
Прорастание семян сопряжено с трудностями, говорят исследователи. Если они хотят выжить, первый появившийся крошечный корень должен закрепить растение и прощупать его вниз, чтобы всосать воду и питательные вещества, необходимые растению для роста.
Что заставило их задуматься: возможно, в корнях этот спиральный рост является стратегией поиска - способом найти лучший путь вперед, сказал Тейлор.
В экспериментах, проведенных в лаборатории профессора физики Дэниела Голдмана в Технологическом институте Джорджии, наблюдения за нормальными и мутантными корнями риса, растущими на перфорированной пластиковой пластине, показали, что нормальные спиралевидные корни в три раза чаще находят отверстие и прорастают до другая сторона.
Сотрудники Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре построили мягкого податливого робота, который разворачивается из своего кончика, как корень, и позволяет ему преодолевать полосу препятствий, состоящую из неравномерно расположенных колышков.
Чтобы создать робота, команда взяла две надувные пластиковые трубы и вставила их друг в друга. Изменение давления воздуха вытолкнуло мягкую внутреннюю трубку изнутри наружу, заставив робота удлиниться от кончика. Сокращение противоположных пар искусственных «мускулов» заставляло кончик робота изгибаться из стороны в сторону по мере его роста.
Даже без сложных датчиков или элементов управления, роботизированный корень все еще мог преодолевать препятствия и находить путь через колышки. Но когда изгиб из стороны в сторону прекратился, робот быстро застрял в колышке.
Наконец, команда вырастила нормальные и мутантные семена риса в грязной смеси, используемой для бейсбольных полей, чтобы проверить их на препятствиях, с которыми корень действительно столкнется в почве. Конечно же, в то время как у мутантов были проблемы с опорой, нормальные корни со спиралевидно растущими кончиками смогли пробиться.
Штопорообразный рост кончика корня координируется растительным гормоном ауксином, который, по мнению исследователей, может перемещаться вокруг кончика растущего корня волнообразно. Накопление ауксина на одной стороне корня заставляет эти клетки удлиняться меньше, чем на другой стороне, и кончик корня изгибается в этом направлении.
Исследователи обнаружили, что растения, несущие мутацию HK1, не могут танцевать из-за дефекта переноса ауксина из клетки в клетку. Заблокируйте этот гормон, и корни потеряют способность закручиваться.
Работа помогает ученым понять, как корни растут в твердой, уплотненной почве.
Видео: