Скрытый танец корней, раскрытый с помощью таймлапса

Исследователи из Университета Дьюка изучали процесс, слишком медленный для человеческого глаза. Команда из лаборатории биолога Филипа Бенфи хотела увидеть, как корни растений проникают в почву. Они установили камеру на прорастающие в прозрачном геле семена риса, делая снимок каждые 15 минут в течение нескольких дней после прорастания.

При воспроизведении записи со скоростью 15 кадров в секунду, что сжало 100 часов роста в менее чем минуту, они увидели, что кончики корней риса совершают штопорообразные движения, извиваясь по спиралевидной траектории.

Используя таймлапс-запись и робота, похожего на корень, для проверки гипотез, исследователи получили новое представление о том, как и почему кончики корней вращаются при росте.

Первая подсказка появилась, когда команда заметила, что некоторые корни не могут выполнять этот «танец». Причиной оказалась мутация в гене HK1, из-за которой корни растут прямо вниз, а не по кругу и не извиваются, как обычные.

Команда также отметила, что мутантные корни росли в два раза глубже нормальных. Это вызвало вопрос: «Какую пользу растению приносит более типичный спиралевидный рост кончика?» — сказал Исайя Тейлор, научный сотрудник лаборатории Бенфи.

Движения по спирали у растений были «феноменом, который очаровывал Чарльза Дарвина» даже 150 лет назад, сказал Бенфи. Для побегов очевидна польза: обвивание и кружение облегчает захват при лазании к солнечному свету. Но как и почему это происходит у корней, оставалось загадкой.

У проростков есть задача: первый крошечный корень должен закрепить растение и проникнуть вниз, чтобы всасывать воду и питательные вещества. Это навело на мысль: возможно, спиральный рост кончика корня — это стратегия поиска, способ 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 над перфорированной пластиковой пластиной, показали, что нормальные спиралевидные корни в три раза чаще находили отверстие и прорастали на другую сторону.

Коллабораторы из Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали мягкого гибкого робота, который разворачивается с кончика, как корень, и запустили его на полосу препятствий из неравномерно расположенных колышков.

Робот был сделан из двух вложенных друг в друга надувных пластиковых трубок. Изменение давления воздуха выталкивало мягкую внутреннюю трубку изнутри наружу, заставляя робота удлиняться с кончика. Сокращение противоположных пар искусственных «мышц» заставляло кончик робота изгибаться из стороны в сторону по мере роста.

Даже без сложных датчиков или систем управления роботизированный корень мог обходить препятствия и находить путь между колышками. Но когда боковые изгибы прекращались, робот быстро застревал.

Наконец, команда вырастила нормальные и мутантные семена риса в грунтовой смеси для бейсбольных полей, чтобы испытать их на реальных препятствиях в почве. Как и ожидалось, в то время как мутанты с трудом закреплялись, нормальные корни со спиралевидными кончиками могли проникать внутрь.

Штопорообразный рост кончика корня координируется растительным гормоном ауксином. Исследователи полагают, что это вещество 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 выяснили, что растения с мутацией HK1 не могут «танцевать» из-за дефекта в переносе ауксина от клетки к клетке. Блокировка этого гормона лишает корни способности вращаться.

Эта работа помогает ученым понять, как корни растут в твердой, уплотненной почве.