Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета штата Пенсильвания раскрыли молекулярный механизм, лежащий в основе способности растений обвиваться вокруг опор — например, как это делают виноградная лоза или вьюнок, а также способности корней резко менять направление роста, чтобы обойти препятствия, такие как камни. Это универсальный способ решения проблем в растительном мире.
Работа ученых показала, что для такого адаптивного роста не требуется полная потеря функции гена, достаточно изменения его активности только в одном специфическом слое клеток.
Разгадка была найдена в ходе экспериментов с модельным растением. Исследователи, в том числе биолог Рам Диксит и его коллеги, проверяли, как восстановление работы гена в разных тканевых слоях влияет на выпрямление скрученных корней. Оказалось, что если активность гена восстанавливать во внутренних слоях клеток, форма корня не менялась. Решающий эффект возникал только тогда, когда ген начинали экспрессировать исключительно в эпидермисе — самом внешнем слое клеток растения. В этом случае даже мутировавшие внутренние клетки меняли свою форму, а корень начинал расти прямо. Это продемонстрировало, что именно эпидермис выступает в роли механического координатора, определяющего поведение всего органа при скручивании.
Для объяснения этого феномена к работе подключились инженеры-механобиологи. Они создали компьютерную модель, основанную на данных об ориентации целлюлозных волокон в клеточных стенках. Модель показала, что в структуре, состоящей из концентрических слоев, как ствол дерева, внешний слой оказывает наибольшее влияние на механические свойства всей системы. Исправление только эпидермиса было достаточным для выпрямления корня, что математически подтвердило результаты биологических экспериментов. По словам соавтора работы, инженера Гая Генина, этот принцип аналогичен законам физики, объясняющим, почему полые трубки почти так же прочны, как сплошные стержни — геометрия играет определяющую роль.
Полученные знания имеют прямое практическое значение для сельского хозяйства. Понимание того, как корни извиваются и преодолевают препятствия, открывает пути для выведения культур, способных эффективнее расти на каменистых и уплотненных почвах, что становится все более актуальным в условиях изменения климата. Как отметил еще один соавтор, Чарльз Андерсон, способность растения находить воду и питательные вещества полностью зависит от того, как его корни исследуют почву.
Ранее ученые предложили определять степень зрелости плодов по анализу листьев.
