Ученые Института наук и технологий Австрии определили ключевые эволюционные этапы гравитационно-направленного роста корней, — пишет eurekalert.org.
Ученые Института наук и технологий Австрии определили
ключевые эволюционные этапы гравитационно-направленного роста
корней, — пишет eurekalert.org.
Одно из самых важных событий в истории эволюции произошло около
500 миллионов лет назад с распространением растительной жизни с
воды на землю. Чтобы растения могли процветать в этой новой
среде, корневые системы должны были 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, его никогда не сравнивали
систематически в растительном мире, и его эволюционное
происхождение оставалось загадкой.
Вниз — но с разной скоростью
Теперь Ючжоу Чжан, постдок из группы профессора Цзи, и его
команда получили более широкое представление о том, как и когда
развился корневой гравитропизм. Исследователи отобрали несколько
видов растений, представляющих линии мхов, ликофитов (клубневые и
твердые), папоротников, голосеменных (хвойных) и цветковых
растений, и позволили их корням расти горизонтально, чтобы
наблюдать, когда они начнут наклоняться вниз, следуя гравитации.
Результат: гравитационный рост корней оказался очень
рудиментарным и медленным у большинства примитивных наземных
растений (мхов), а также у базальных сосудистых растений
(ликофитов и папоротников). Только семенные растения
(голосеменные и цветущие растения), которые впервые появились
около 350 миллионов лет назад, показали более быструю и,
следовательно, более эффективную форму гравитропизма.
Сила крахмала
Но какой эволюционный шаг позволил этот быстрый и эффективный
корневой гравитропизм в семенных растениях? Анализируя различные
фазы гравитропизма — восприятие гравитации, передачу
гравитропического сигнала и, в конечном счете, саму реакцию
роста, исследователи обнаружили два важнейших компонента, которые
развивались вместе. Первая оказалась анатомической особенностью:
органеллы растений, называемые амилопластами, — плотно
заполненные гранулами крахмала, — оседают под действием силы
тяжести и, таким образом, действуют как датчики силы тяжести.
Однако этот процесс седиментации наблюдался только у голосеменных
и цветковых растений с амилопластами, которые концентрировались в
самом низу кончика корня. В более ранних растениях, напротив,
амилопласты оставались случайным образом распределенными внутри и
над верхушкой корня, не функционируя в качестве датчиков силы
тяжести, как это было в случае семенных растений.
Специальный пин-код для ауксина
После восприятия через амилопласты гравитационный сигнал далее
передается от клетки к клетке с помощью гормона роста ауксина. В
генетических экспериментах исследователи идентифицировали
специфическую транспортную молекулу в модельном растении
Arabidopsis thaliana, PIN2, которая направляет поток ауксина и,
следовательно, рост корня. В то время как почти все зеленые
растения несут белки PIN, только специфическая молекула PIN2 в
семенных растениях собирается на боковой стороне корневых
эпидермальных клеток. Эта специфическая локализация — уникальная
для семян растений — приводит к поляризации клеток-переносчиков,
что, в свою очередь, позволяет корню транспортировать ауксин к
побегу и, таким образом, передавать сигналы на основе ауксина от
места восприятия силы тяжести к зоне регулирования роста.
Растения как учителя для человечества
Выявив эти два анатомических и функциональных компонента, авторы
получили ценную информацию об эволюции корневого гравитропизма,
который является одной из важнейших адаптаций семенных растений к
земле. Возможны также практические последствия этих выводов:
«Теперь, когда мы начали понимать, какие растения нуждаются в
стабильном корневом укреплении, чтобы достичь питательных веществ
и воды в глубоких слоях почвы, мы можем в конечном итоге найти
способы улучшить рост культур и других растений в очень
засушливых районах, — говорит Чжан. — Природа намного умнее нас;
мы можем многому научиться у растений, которые в конечном итоге
приносят нам пользу».
[Фото: eurekalert.org]
Источник: eurekalert.org
