В организме нет системы органов, которая так много делает для человека, как корни для растений. Наполовину якорь и наполовину рот, архитектура корневой системы растения имеет решающее значение для его успеха. Но процесс отращивания новых корней обходится растению дорого, а отдача может уменьшаться.
Непонятно, как растение определяет, что хватит, и прекращает пускать корни. Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе идентифицирует клеточный переносчик, который связывает два наиболее мощных гормона в развитии растений - ауксин и цитокинин - и показывает, как они участвуют в торможении инициации и развития корневой системы. Новая работа Люсии Стрейдер, адъюнкт-профессора биологии факультета искусств и наук, и ее соавторов опубликована 18 июля в журнале Developmental Cell.
"Это захватывающе, потому что в течение долгого времени мы знали, что ауксин и цитокинин играют противоположные роли, но прямая связь между тем, как один из них может влиять на другой в образовании боковых корней, была недостаточно хорошо изучена", - сказал Стрейдер.
Боковые корни - это корни, которые разветвляются горизонтально, как пальцы, тянущиеся в стороны. Они составляют большую часть корневой массы.
"Наши данные свидетельствуют о том, что один из способов, с помощью которого цитокинин может снижать продукцию боковых корней, заключается в повышении уровня этого транспортера для ограничения вклада этого конкретного предшественника ауксина в активный ауксин", - сказала она.
Прокачка и отпускание тормозов
Гормон растений ауксин контролирует почти все аспекты роста и развития растений, включая стимуляцию общего роста корней. Предыдущие исследования показали, что другой важный гормон, называемый цитокинином, оказывает ограничивающее действие, контролируя места, где могут появиться новые боковые корни, и обеспечивая достаточное расстояние между соседними корнями.
До сих пор, однако, ученые не определили, как эти гормоны «разговаривают» друг с другом.
Работая с модельным растением Arabidopsis thaliana, Стрейдер расшифровал ключ к этому разговору.
Стрейдер обнаружила, что клеточный переносчик, который она назвала TOB1, может спрятать предшественник ауксина, перемещая его в вакуоль, орган в растительной клетке, который действует как своего рода хранилище или загон. Это действие предотвращает превращение предшественника, который называется IBA, в полноценный ауксин со всеми его способностями стимулировать рост корней.
«Если TOB1 является тормозом, цитокинин является ногой на тормозе», - сказал Стрейдер. «Это то, что говорит о том, сколько TOB1 должно быть вокруг, чтобы ослабить образование боковых корней».
Растения могут усиливать или ослаблять фиксацию по мере необходимости. Стрейдер и ее команда использовали методы генной модификации, чтобы устранить переносчик, и увидели впечатляющие результаты в следующем поколении растений.
«Когда вы избавляетесь от этого переносчика, у вас почти вдвое больше боковых корней, чем у дикого типа, без ущерба для глубины корней», - сказал Стрейдер.
Страдер также повторила некоторые из своих экспериментов с дрожжами и ооцитами лягушки (с помощью Вольфа Б. Фроммера из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия) вместо растения и обнаружила, что TOB1 столь же эффективен, как и транспортер для IBA в этих системах.
Медленно, но стабильно может быть лучше для растений
Исследование Стрейдер показывает, как она и ее сотрудники начали с беспристрастного генетического скрининга и в конечном итоге определили критический регулятор аспекта развития растений, который часто игнорируется - тот, который не сразу виден, потому что корни находятся под землей.
И корни арабидопсиса крошечные. В двухнедельном возрасте его листья намного меньше монетки, а корни нитевидные и прозрачные. Чтобы привлечь внимание к процессу производства боковых корней, Стрейдер обратился за помощью к Кристоферу Топпу, главному исследователю Центра наук о растениях Данфорта. Топп использовал неразрушающий метод, чтобы получить первые трехмерные серийные изображения развивающихся растений арабидопсиса в среде - выдающийся подвиг, учитывая, сколько исследований было проведено с этим модельным растением.
То, что они обнаружили, полезно, потому что молекулярные механизмы, регулирующие архитектуру корней, критически недостаточно изучены.
Понимание того, почему и как у растений формируются различные типы корневой системы, может помочь вывести растения, которые лучше справляются с различными почвенными условиями и окружающей средой. В последующей работе Стрейдер уже начал изучать, как мутанты TOB1 по-разному реагируют на почвы с разными микроэлементами.
«Когда вы избавляетесь от тормозов, вы просто сходите с ума», - сказал Стрейдер. «Поначалу это выглядит как хорошая сельскохозяйственная черта. Вы хотите, чтобы все ваши растения в почве исследовали больше почвы, чтобы получить больше питательных веществ, чтобы получить больше корней для воды.
"Но, если у вас никогда не будет тормоза, вы тратите свое время, делая все больше и больше таких", - сказала она. «Возможно, на каком-то этапе жизненного цикла растения этот медленный, но неуклонный подход лучше, чем всеобщее «давайте сделаем боковые корни повсюду», один».
Финансирование: Это исследование было поддержано Программой стипендий Уильяма Х. Данфорта по науке о растениях (для S. K. P.), Национальным научным фондом (DGE-1143954 для TAE, IIA-1355406 и IOS-1638507 для CNT, MCB-1413254). до WF и IOS-1453750 до LCS), Центр инженерной механобиологии NSF (CMMI-1548571 до LCS), Национальные институты здравоохранения (R01 GM112898 до LCS), профессура Александра фон Гумбольдта (до W. F.), Academia Sinica (C. H. H.) и Министерство науки и технологий Тайваня (106-2311-B-001-037-MY3 to C. H. H.).