Корни растений в темноте "видят" свет
Исследователи из Института химической экологии Макса Планка (Йена, Германия) и Сеульского национального университета (Южная Корея) впервые показали, что корни напрямую реагируют на свет, который передаётся от побега к подземным частям растений Arabidopsis thaliana. Это позволяет корням эффективно адаптировать рост растения к световым условиям окружающей среды.
Свет — не только источник энергии, но и важный сигнал, регулирующий многие светозависимые процессы роста для оптимальной адаптации растения. Свет сначала улавливается фоторецепторами в побеге. Физиологические процессы опосредуются светосигнальными молекулами. Более 30 лет учёные строили гипотезы о том, могут ли корни также воспринимать свет, но доказать это не удавалось до настоящего исследования.
«Физики из Кореи и биологи из Йены объединили знания из обеих дисциплин, чтобы выяснить, могут ли сосудистые пучки растений действовать как световоды и передавать свет от побега к корням», — описывает успешное сотрудничество Сан-Гю Ким, один из первых авторов работы и со-инициатор проекта.
Предыдущие исследования показали, что специальный фоторецептор, обнаруживающий свет в красном/дальнем красном диапазоне, удивительным образом экспрессируется и в корнях. Однако оставалось неясным, как он активируется. В междисциплинарном подходе молекулярные биологи и оптические физики разработали высокочувствительный оптический детектор и идею сравнить растения со «слепыми» и «зрячими» корнями.
Они использовали растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) — модельный организм в исследованиях растений. Растения были генетически модифицированы так, что фоторецептор был «выключен» только в их корнях, но не в побегах. Таким образом, у этих растений были «слепые» корни. Учёные выращивали эти модифицированные растения вместе с контрольными; их корни находились в тёмной почве, а побеги — на свету, как в природе. Оптическая детекторная система использовалась для измерения света, передаваемого по стеблю вниз к корням.
«С помощью этого подхода мы смогли ясно и однозначно показать, что свет передаётся в корни через сосудистые пучки. Даже если интенсивность передаваемого света была низкой, её было достаточно для активации фоторецепторов, запуска последующей световой сигнализации и влияния на рост у контрольных растений», — объясняет Чунг-Мо Пак, руководитель проекта в Сеульском национальном университете.
«Эти результаты имеют решающее значение для дальнейших исследовательских проектов. Наша работа доказывает, что корни способны воспринимать свет, даже находясь под землёй. Восприятие света корнями запускает сигнальную цепь, которая влияет на рост растения, особенно на архитектуру корня», — говорит Ян Болдуин, руководитель исследования в Институте химической экологии Макса Планка в Йене.
Он уже заглядывает в будущее: «В корнях есть и другие фоторецепторы. До сих пор в значительной степени оставалось неизвестным, какова их роль в корнях и как они взаимодействуют со световыми сигналами, передаваемыми от побегов».
Для экологических исследований крайне важно показать актуальность этого открытия для растений в естественной среде обитания. Чтобы выяснить это, учёные планируют эксперименты с другим видом растений — табаком Nicotiana attenuata, модельным растением в экологии, адаптированным к экстремально сильному воздействию света.
Исследователи предполагают, что эта вновь обнаруженная сенсорная модальность корней улучшает экологическую эффективность растений в природе, позволяя лучше синхронизировать распределение ресурсов для роста, размножения и защиты.