Тяжелая сельскохозяйственная техника уплотняет почву. В плотном грунте корням растений трудно расти вглубь, а это снижает урожайность. Ранее было известно, что в плотной земле корни перестают удлиняться и начинают утолщаться. Сигналом для этого служит газ этилен, который скапливается вокруг кончика корня из-за плохой вентиляции в плотной земле. Однако до сих пор ученые не понимали, как именно этилен меняет физические свойства корня на клеточном уровне.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, создали мутантные линии риса с измененной активностью генов, отвечающих за синтез целлюлозы и реакцию на гормоны. Рост корней в почве разной плотности наблюдали с помощью рентгеновской компьютерной томографии, а жесткость и толщину клеточных стенок измеряли методом атомно-силовой микроскопии.
Выяснилось, что ключевую роль в адаптации играет белок OsARF1. Этилен активирует этот белок, который, в свою очередь, подавляет работу генов синтеза целлюлозы (CESA).
Это подавление происходит избирательно — только во внутренних тканях корня (коре). Из-за нехватки целлюлозы стенки внутренних клеток становятся тоньше и эластичнее. Корень раздувается вширь. Причем внешний слой клеток (эпидермис) этот процесс не затрагивает: он остается толстым и жестким.
Ученые сравнили эти изменения корней с инженерными принципами проектирования труб. Сочетание жесткой внешней оболочки и расширяющейся под давлением сердцевины придает корню необходимую осевую устойчивость. «Эффект трубы» предотвращает сплющивание или изгиб корня, позволяя ему работать как клин, раздвигающий частицы земли.
Растения обладают активным механизмом модификации собственных тканей в ответ на физические препятствия. Понимание цепочки «этилен — белок OsARF1 — клеточная стенка» дает селекционерам инструмент для создания новых сортов риса и других культур. Такие растения смогут эффективнее развивать корневую систему и приносить высокий урожай даже на полях, уплотненных тяжелой техникой.