Как корневые волоски растений растут прямо: роль PI (3,5) P2 в укреплении боковых стенок

Международная группа исследователей выяснила молекулярный механизм, который позволяет корневым волоскам растений расти длинными и прямыми, а не раздуваться как воздушный шар. Ключевую роль играет регуляция жесткости боковых стенок волоска.

Два разных региона роста

Используя модельное растение Arabidopsis thaliana, ученые обнаружили, что во время роста корневого волоска в его мембранах формируются два различных региона:

  • На кончике волоска локализуется фосфорилированный киназ PIP5K3 и его продукт PI (4,5) P2, отвечающий за рост.
  • На боковых сторонах (шанке) волоска находится другой фосфорилированный киназ, FAB1, и его продукт PI (3,5) P2.

Функция PI (3,5) P2: укрепление "шанка"

Искусственное снижение количества PI (3,5) P2 на боковой стороне волоска привело к тому, что волоски становились толстыми, волнистыми и вздутыми. Измерения атомно-силовым микроскопом показали, что жесткость боковых стенок таких волосков была примерно вдвое ниже, чем у обычных.

Исследование причин этого выявило два ключевых изменения:

  1. Кортикальные микротрубочки, участвующие в морфогенезе клеток, становились фрагментированными.
  2. Сильно снижалось содержание ксилана — компонента вторичной клеточной стенки, влияющего на ее жесткость.

Молекулярные взаимодействия и модель

Ученые также обнаружили, что белки семейства ROP (ROP2 и ROP10), контролирующие цитоскелет, специфически экспрессируются в корневых волосках. При этом PIP5K3 взаимодействует с ROP2, а FAB1 — с ROP10.

На основе этих данных была построена математическая модель. Компьютерное моделирование подтвердило, что количество PI (3,5) P2 на боковой стороне регулирует плотность микротрубочек и жесткость клеточной стенки. Модель показала, что при снижении уровня PI (3,5) P2 и действии силы со стороны среды роста волосок начинает выпирать вбок и становится волнистым.

Перспективы

Как отметил доцент Кумамотского университета Такуми Хигаки, работа демонстрирует, что растения используют PI (3,5) P2 для укрепления боковых сторон корневых волосков, чтобы "проталкивать" их в почву. Искусственное регулирование количества этого липида для создания волосков с усиленными стенками может помочь в выведении растений, эффективно поглощающих питательные вещества даже из бедных почв.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Plants 2го ноября 2018 года.