Скручивание стеблей и корней — частая адаптация растений к окружающей среде. Вьется виноградная лоза, усы огурцов, стебли вьюнков и лиан, корни штопором врезаются в землю и изгибаются, чтобы обойти камни.
Ученым известно, что отвечают за скручивающий рост мутации в генах, влияющие на микротрубочки растений. Часто искривление вызывают «нуль-мутации», при которых с участием гена становится невозможно производство нужного вещества, например белка. Это должно вызывать массу других проблем, однако скручивающийся рост — распространенная эволюционная адаптация.
Группа американских биологов тщательно изучила, как происходит рост растений с закручиванием. Оказалось, что для скручивания не нужна полная нуль-мутация всего растения — достаточно изменения в экспрессии гена в эпидермисе. Научную работу об этом они опубликовали в журнале Nature Communications.
Растительные клетки жестко зафиксированы на месте, почти «склеены» друг с другом и окружены прочной клеточной стенкой. Слои растения, изнутри наружу, идут в таком порядке: стела, эндодерма, кортекс, эпидермис. Ученые предположили, что скручивание возникает из внутреннего коркового слоя, где мутация заставляет клетки быть короткими и широкими вместо длинных и тонких.
Исследователи попытались восстановить прямые корни, экспрессируя нормальный ген в разных слоях корней растения. Для исследования биологи создали модельную систему, в которой корни могут отклоняться вправо или влево, экспериментальным организмом стала резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) — растение с полностью секвенированным коротким геномом.
К удивлению биологов оказалось, что экспрессия нормального, сохраняющего корень прямым гена в любом из внутренних слоев растения не распрямляло его. Резуховидка все равно выглядела как скрученный нуль-мутант, производство правильного белка во внутренних слоях растения влияния на закручивание не оказывало.
Но когда нормальный ген экспрессировался только в эпидермисе, корни выпрямлялись. Как выяснилось, именно эпидермис диктует растению форму.
После к исследованию подключились механобиологи — ученые, работающие на стыке физики, инженерии и биологии. Они измерили ориентацию целлюлозных микрофибрилл в мутантных и нормальных корнях, нашли разницу в отложение целлюлозы и построили на основе собранных данных компьютерную модель протекающих в растении.
«Когда у вас есть концентрические слои клеток, как годичные кольца в стволе дерева, внешнее кольцо имеет гораздо большее влияние на всю структуру, чем внутренние. Наша модель показала, что если клетки только в эпидермисе окажутся скошенной формы, то он может отвечать за треть общего скручивания растения. Но если выпрямить клетки только в эпидермисе, весь корень выпрямляется. Математика была однозначной: правит внешний слой» — объяснил один из авторов статьи Гай Генин (Guy Genin).
Модель подтвердила экспериментальные данные. Когда нормальный ген (для прямого корня) экспрессируется только в эпидермисе, это влияет даже на корковые клетки с мутацией. Вместо того чтобы быть короткими и широкими, эти внутренние клетки становились длиннее и тоньше, почти как в норме. Слой клеток эпидермиса оказался способен вовлекать в процесс внутренние клеточные слои, он не пассивная кожа, а механический координатор роста всего органа. Внешний слой корня доминирует в его скручивающем поведении благодаря той же физике кручения, что объясняет, почему полые трубки могут быть почти такими же прочными, как сплошные стержни.
Теперь, когда ученые понимают, как растения закручивают себя, они могут применять эти знания для решения задач сельскохозяйственной науки. Понимание того, как корни перемещаются в почве, поможет нам адаптировать растения к изменяющемуся климату Земли и развивать сельское хозяйство в регионах с плотными каменистыми почвами.