Учёные объединяют усилия, чтобы пролить свет на движение растений

Школьники часто учат, что растения растут к свету. Хотя это кажется простым, гены и пути, позволяющие растениям расти и двигаться в ответ на окружающую среду, до конца не изучены. Ведущие учёные-ботаники исследуют один из фундаментальных процессов в биологии растений — движение в ответ на свет, воду и гравитацию — в специальном январском выпуске American Journal of Botany.

Движения растений, известные как тропизмы, критически важны для выживания — от момента прорастания до позиционирования цветков для опылителей и распространения семян. «Это базовые процессы, лежащие в основе всей физиологии и роста растений», — говорит Сара Уайатт, доцент кафедры экологии и биологии растений Университета Огайо. Растения адаптируются к окружающей среде с помощью тропизмов, включая движение в ответ на свет (фототропизм), воду (гидротропизм) и гравитацию (гравитропизм).

Чтобы вдохновить передовые исследования, Сара Уайатт и биолог Джон Кисс, деан Высшей школы Университета Миссисипи, стали соредакторами спецвыпуска и пригласили учёных со всего мира написать 24 статьи, которые развивают и обобщают эту область. «За последнее десятилетие в исследованиях тропизмов был достигнут огромный прогресс», — отмечает Кисс. «Этот выпуск стал возможностью объединить сообщество и выделить по-настоящему удивительную науку», — добавляет Уайатт.

Исследования в космосе — один из сложных способов изучения движения растений. Выращивание растений в космосе стало реальностью. «Строительство Международной космической станции завершено, и США планируют её использовать как минимум до 2020 года», — говорит Кисс. Растения на МКС могут обеспечивать пищу и восполнять запас воздуха, а эксперименты в условиях невесомости помогают понять базовые механизмы роста и движения.

На Земле изучение гравитации и других тропизмов важно для понимания роста, развития и реакции растений на изменение климата. Базовые механизмы тропизмов в ответ на воду и свет также могут улучшить сельскохозяйственные практики, поскольку культуры сталкиваются с такими стрессами, как засуха и скученность.

Тропизмы веками интересовали учёных. Движения растений могут казаться настолько похожими на человеческие, что в конце XVIII — начале XIX века доктор Эразм Дарвин, дед Чарльза Дарвина, предполагал, что у растений есть несколько «мозгов», которые общаются с «мышцами», чтобы управлять ростом.

От Эразма и Чарльза Дарвина до современных учёных и методов биология тропизмов прошла долгий путь. Некоторые статьи в спецвыпуске рассматривают историю тропизмов, другие продвигают область вперёд с помощью новых исследований. Например, новые генетические и молекулярные инструменты проливают свет на механизмы реакции растений на воду и гравитацию. Многие статьи фокусируются на известном модельном организме Arabidopsis thaliana. Другие статьи по гравитропизму включают работу с зерновыми культурами и водным папоротником Ceratopteris richardii.

Выпуск начинается с обзорной статьи о том, как корни вращаются и изгибаются — это явление называется циркумнутация. Лианы, обвивающие как тонкие колья, так и толстые стволы деревьев, используют циркумнутацию для лазания. Исследования циркумнутации стеблей распространены, отмечает доктор Фернандо Мильяччо из Института агроэкологической и лесной биологии в Италии. Но, как и во всей науке о растениях, серьёзных работ о том, что происходит под поверхностью почвы, мало, хотя поведение корней может быть ключевым для понимания выживания растений в сельском хозяйстве и природе.

Съёмка с интервальной съёмкой популяризировала самый известный тропизм — фототропизм, или движение растений к свету. Хотя фототропизм, возможно, наиболее изучен, одна из малоисследованных его областей — как растения растут и двигаются в зелёном свете, что изучают аспирант Ихай Ван и его научный руководитель Кевин Фолта из Университета Флориды. Свет становится более зелёным, проходя через соседние растения. Растение, растущее в тени под деревом, получает не только меньше света, но и другие длины волн, меняющие его рост. Такие сценарии происходят в природе ежедневно. «Часто растение не может конкурировать, просто перерастая соседа, и должно адаптироваться», — говорят они. Ван и Фолта исследуют новые данные о том, как виды растений используют экспрессию генов и физиологию, чтобы выживать в обогащённой зелёным светом среде.

Спецвыпуск продолжается статьями о механизмах гравитропизма. Недавние открытия растительных гормонов и белков, которые их транспортируют, вдохновили учёных на исследование путей восприятия гравитации. Оригинальные исследования в этом выпуске начинают «распутывать сложные взаимодействия» регуляторов роста, таких как гормоны, белки и органические соединения, объясняют Уайатт и Кисс.

Уайатт и Кисс надеются вдохновить молодых учёных на исследования в фундаментальной области тропизмов на Земле и в космосе. «Помните семечко в стаканчике из пенопласта: корешки растут вниз, а растение — вверх, и никто толком не знает, как или почему», — цитирует Уайатт Роберта Фулгама. «В этом и есть чудо тропических реакций — тропизмы захватывают воображение».