Как растения чувствуют гравитацию: новый взгляд на роль генетики и цитоскелета

Гравитация влияет на экологию и эволюцию всех живых организмов. У растений общий ответ на гравитацию хорошо известен: корни реагируют положительно, растут вниз, в почву, а стебли — отрицательно, растут вверх, к солнечному свету. Но как именно растения ощущают гравитацию и как направляют или сигнализируют своим клеткам расти в ответ на неё? Хотя ботаники многое понимают в этом процессе, недавняя статья в American Journal of Botany рассматривает текущие знания — от механических до генетических подходов — и показывает, что в нашем понимании молекулярных деталей всё ещё существуют значительные пробелы.

Гравитропизм: простой ответ, сложный процесс

Гравитропизм — это рост корней вниз для лучшего освоения почвы и рост побегов вверх для максимизации поглощения света. Хотя этот ответ кажется простым, биологические процессы, контролирующие его, довольно сложны. Они требуют скоординированной активности разных типов клеток и тканей. Область, где гравитация ощущается, часто пространственно отделена от области роста. Вопрос в том, как эти две области общаются друг с другом.

Гипотеза крахмала-статолитов и нерешённая загадка

На сегодняшний день восприятие гравитации у растений объясняется гипотезой крахмала-статолитов. Например, в корнях клетки, чувствующие гравитацию на кончике корня, содержат плотные, наполненные крахмалом органеллы — амилопласты. Амилопласты оседают на дно клеток под действием гравитации, что затем запускает перемещение гормона ауксина в другую, отдельную область клеток, заставляя их удлиняться и изгибаться по направлению к гравитации. Однако молекулярные детали того, как физическое движение амилопластов в одних клетках вызывает накопление ауксина в других, физически удалённых клетках, остаются загадкой.

Роль цитоскелета и научные противоречия

Преобладающая гипотеза предполагает, что цитоскелет (клеточный каркас) играет главную роль в этом межклеточном общении. Цитоскелет состоит из филаментов белков актина или тубулина, которые позволяют перемещаться материалам вдоль нитей. Однако в научном сообществе существует серьёзная дискуссия о роли актина в гравитропизме, в основном из-за противоречивых результатов исследований, где активность актина подавлялась. Наиболее интересными, по мнению автора, являются те, где нарушение актина фактически усиливало гравитропизм.

Генетические подходы и перспективы

В обзоре рассматривается, как работают амилопласты, что влияет на актин и как недавние генетические исследования обнаружили, что белки могут регулировать актин и, следовательно, распределение ауксина. Например, генетическая работа на модельном растении Arabidopsis раскрывает потенциальные механизмы того, как актиновый цитоскелет соединяет клетки, чувствующие гравитацию, с ауксином в растущих клетках.

Практическое значение и исследования в космосе

Понимание гравитропизма имеет важное значение для сельского хозяйства. Информация о цитоскелете и реакции растений на гравитацию может помочь в разработке стратегий генетической инженерии сельскохозяйственных культур с улучшенной корневой системой или архитектурой растения в целом.

Интерес автора, Элисона Бланкафлора, выходит за пределы земной атмосферы. Он исследует, как минимальная гравитация влияет на рост и развитие растений, и задаётся вопросом, способствует ли актиновый цитоскелет росту растений в космосе, где гравитация снижена. Его исследования проводились на космическом шаттле, а новые эксперименты запланированы на Международной космической станции (МКС).