Taimed leiavad valgust rakkudevaheliste tühimike abil | Ajakiri Quanta

Terrakota pottidega ääristatud riiulil painutavad ürdid oma varred lähima akna poole. Kuldsete lillede väljal pöörlevad lehed koos päikese teega. Laigulises metsas keerutavad viinapuud puid, ulatudes aina ülespoole ja pimedusest eemale.

Alates iidsetest aegadest on taimede võime orienteeruda oma silmadeta keha lähima ja eredama valgusallika poole – tänapäeval tuntud kui fototropism – lummanud teadlasi ning tekitanud lugematuid teaduslikke ja filosoofilisi vaidlusi. Ja viimase 150 aasta jooksul on botaanikud edukalt lahti harutanud paljud peamised molekulaarsed rajad, mis on aluseks sellele, kuidas taimed valgust tajuvad ja selle teabe alusel toimivad.

Ometi on kestnud kriitiline mõistatus. Loomad kasutavad silmi – läätsedest ja fotoretseptoritest koosnevat keerulist organit –, et saada üksikasjalik pilt ümbritsevast maailmast, sealhulgas valguse suunast. Taimed, bioloogid on loonud, omavad võimsat molekulaarsete tööriistade komplekti valgustuse mõõtmiseks. Kuid kui puuduvad ilmsed füüsilised tajuorganid, nagu läätsed, kuidas taimed arvutavad välja täpse suuna, kust valgus tuleb?

Nüüd on Euroopa teadlaste meeskond saanud vastuse. Hiljutises artiklis avaldatakse teadusnad teatavad, et teeäärne umbrohi — Arabidopsis, taimegeneetikute lemmik – kasutab valguse hajutamiseks rakkudevahelisi õhuruume, muutes kudesid läbiva valguse teed. Sel viisil loovad õhukanalid valguse gradiendi, mis aitab seemikutel täpselt määrata, kust valgus tuleb.

Kasutades valguse hajutamiseks õhukanaleid, väldivad taimed vajadust diskreetsete organite, näiteks silmade järele, eelistades korralikumat nippi: võime "näha" kogu oma kehaga.

Sügavalt juurdunud debatt

Miks ja kuidas taimed valgusele orienteeruvad, on olnud ägeda arutelu teema juba üle 2,000 aasta. Varased Kreeka filosoofid väitsid, et taimed, nagu ka loomad, olid võimelised tundma ja liikuma ning isegi soovima ja aru saama. Kuid hilisemad mõtlejad, nagu Aristoteles, väitsid, et taimed on sünnipäraselt passiivsed, ei suuda oma keskkonda tajuda, veel vähem sellega kaasas liikuda. "Taimedel pole aistingut ega soovi," kirjutas ta Taimedel. "Need seisukohad peame ümber lükkama kui ebakindlad." Sajandeid kippusid teadlased temaga nõustuma.

Alles 1658. aastal tuvastas alkeemik ja loodusfilosoof Thomas Browne fototropismi kui fakti, dokumenteerides, et keldris pottides kasvavad sinepiseemikud suunavad oma kasvu püsivalt avatud akna poole. Kuid enam kui kaks sajandit pärast seda jätkasid bioloogid vaidlemist selle üle, kuidas taimed seda tegid ja kas nad reageerivad päikesevalgusele või selle kuumusele.

1880. aastal viisid Charles Darwin ja tema poeg Francis eksperimente, et kirjeldada fototroopset mehhanismi, mis lõpuks tõestati. Nagu kirjeldatud punktis Liikumise jõud taimedes, kasvatas paar pimedas ruumis seemikuid – taimi, mis ei suutnud veel fotosünteesi läbi viia, tuginedes hoopis seemnest kogutud energiale. Kui sinine valgus paistis neile kindlast suunast, ulatusid taimed selle poole. Seejärel, kui Darwinid valgust ruumis liigutasid, jälgisid nad seemikute vastavaid liikumisi.

Darwinid väitsid oma katsete põhjal, et seemikud olid kõige valgustundlikumad võrse tipus ja see, mida nad seal tajusid, viis mõne aine tootmiseni, mis mõjutas taime kasvusuunda. 1920. aastateks olid botaanikud saavutanud mugava konsensuse, mis arendas seda mudelit edasi: taimede otstes olid valgusandurid ja et nad toodavad hormoone (hiljem tuvastati auksiinina), mis soodustasid nende varjutatud külgede kasvu, põhjustades nende varsi ja lehti. valguse poole painduma.

Nagu paljud suured avastused, avas see ka uue küsimuse: kuidas täpselt võisid taimed valgust tajuda? Neil puudus igasugune ilmselge meeleorgan. Teadlased hakkasid kahtlustama, et taimedel peavad olema keerukad sensoorsed võimed.

Molekulaarbioloogid võtsid vastutuse, näidates, et taimed suudavad mõõta palju laiemat valgusspektrit ja sellele reageerida kui meie oma loomade silmadega, kuigi neil puudub spetsiaalne tajuorgan. Viis erinevat fotoretseptorite perekonda, lisaks hormoonid ja signaaliteed, töötavad koos, et määrata kuni raku tasemele suund, milles taim uut kudet ehitab – selgitades, kuidas varred väänavad, pöörduvad ja tõusevad vastavalt vajadusele. Need fotoretseptorid levivad kogu taimekehades, kuid on suures osas koondunud varre sisemisse koesse, ütles. Christian Fankhauser, Šveitsi Lausanne'i ülikooli taimebioloog ja uue uuringu autor.

Kuid lihtsatest anduritest üksi ei piisa, et anda taimedele võimalus valguse suunda määrata. Tugeva valgustuse suuna parimaks kindlaksmääramiseks peab taim saama võrrelda erinevate fotoretseptorite vahelisi signaale, et nad saaksid oma kasvu suunata kõige intensiivsema valguse poole. Ja selleks vajavad nad sissetulevat valgust, mis langeks nende anduritele gradiendiga heledamast hämarani.

Loomad on selle probleemi lahendanud silmade arendamise kaudu. Lihtne organism, näiteks tasapinnaline uss, saab hakkama "silmatäppidega", mis tunnevad ainult valguse olemasolu või puudumist. Keerulisemates loomade silmades, nagu meie silmad, anatoomilised tunnused nagu lääts suunata valgus võrkkesta poole, mis on pakitud fotosensoritega. Seejärel võrdleb aju läbi kõvera läätse saabuva valguse hulka eraldi rakkudes registreeritud valguse hulgaga. See süsteem, mis ühendab valguse füüsilise manipuleerimise molekulaarsete anduritega, võimaldab tuvastada heleduse ja varju peeneteralisi gradiente ning eraldada selle pildiks, mida me nimetame nägemiseks.

Kuid kuna taimedel pole aju, vajavad nad samade järelduste tegemiseks passiivset süsteemi. Seetõttu on oluline taimede võime moodustada füüsilisi gradiente: need loovad rakkude vahel loomupäraseid erinevusi, ilma et taim peaks aktiivselt võrdlema.

Seega seisid botaanikud silmitsi mõistatusega. Kas fototropism oli täielikult molekulaarne protsess, nagu mõned kahtlustasid, või võivad taimed muuta valguskiiri, et luua gradient ja paremini suunata oma reaktsiooni? Kui viimane oli tõsi, siis peavad taimedel olema füüsilised struktuurid, mis võimaldavad neil valgust fokuseerida.

See struktuur tuvastatakse lõpuks teeäärse umbrohu mutantses versioonis, mis nägi vaeva valguse leidmisega.

Pime mutant

Thale kress - teadusele tuntud kui Arabidopsis thaliana — ei ole eriti atraktiivne taim. 25 sentimeetri kõrgune umbrohi armastab rikutud maad, põlluservi ja teepeenraid. Aafrika ja Euraasia põliselanik on nüüd leitud kõigil mandritel, välja arvatud Antarktika. Taimebioloogid on sellest ajast alates kohandanud selle teadusliku elustiiliga: selle lühike elutsükkel, väike genoom (täielikult kaardistatud 2000. aastal) ja kalduvus tekitada laboris kasulikke mutatsioone muudavad selle suurepäraseks mudelorganismiks taimede kasvu ja geneetika mõistmiseks.

Fankhauser on teinud koostööd Arabidopsis aastast 1995, et uurida, kuidas valgus kujundab taimede kasvu. 2016. aastal skriiniti tema laboris seemikute geene, et leida mutantseid taimi, millel on ebatavaline reaktsioon valgusele. Nad kasvatasid seemneid pimedas ruumis, kus olid sinised tuled, et istikud külili suunata. Sealt edasi kulges katse enam-vähem samamoodi nagu Darwinid 150 aastat tagasi: kui teadlased valguse suunda muutsid, orienteerusid taimed sellele ümber.

Üks mutantne taim aga nägi vaeva. Kuigi sellel polnud probleeme gravitatsiooni tajumisega, tundus, et see ei suuda valgust jälgida. Selle asemel paindus see igas suunas, justkui oleks pime ja tunneks end pimedas ringi.

Midagi oli ilmselt valesti läinud mutandi võimes valgust tajuda. Taimebioloogi Martina Legrise, Fankhauseri labori järeldoktori ja uue paberi kaasautor, sõnul leidsid meeskond taime uurides selle tüüpilised fotoretseptorid. Kuid kui meeskond varre mikroskoobi all vaatas, märkasid nad midagi kummalist.

Metsik Arabidopsis, nagu enamikul taimedel, on rakkude vahel õhukanalid. Need struktuurid on nagu ventilatsioonivõllid, mis on kootud suletud rakukambrite ümber ja millel on teadaolevalt oluline roll nii fotosünteesis kui ka hapnikuga varustamisel. Kuid mutantse taime õhukanalid olid veega üle ujutatud. Meeskond jälgis geeni mutatsiooni ABCG5, mis toodab valku, mis võib aidata rakuseina veekindlaks muuta, et tagada taime õhuvõllide veekindlus.

Huvitatud teadlased proovisid katset. Nad täitsid mittemutantsete taimede rakkudevahelised õhušahtid veega, et näha, kas see mõjutab nende kasvu. Nagu mutantidel, oli ka neil taimedel raske kindlaks teha, kust valgus tuli. "Näeme, et need taimed on geneetiliselt normaalsed," ütles Legris. "Ainsad asjad, mis neil puudu on, on need õhukanalid."

Teadlased järeldasid, et taim orienteerub valgusele mehhanismi kaudu, mis põhineb murdumisnähtusel - valguse kalduvusel muuta suunda, kui see läbib erinevaid keskkondi. Legris selgitas, et murdumise tõttu läbis valgus normaalset Arabidopsis hajub varre pinna alla: iga kord, kui see liigub läbi taimeraku, mis koosneb enamasti veest, ja seejärel läbi õhukanali, muudab see suunda. Kuna osa valgust suunatakse protsessi käigus ümber, loovad õhukanalid erinevate rakkude vahel järsu valguse gradiendi, mida taim saab kasutada valguse suuna hindamiseks ja seejärel selle poole kasvamiseks.

Seevastu kui need õhukanalid on veega täidetud, väheneb valguse hajumine. Taimerakud murravad valgust sarnaselt üleujutatud kanaliga, kuna mõlemad sisaldavad vett. Hajumise asemel liigub valgus peaaegu otse läbi rakkude ja üleujutatud kanalite kudedesse sügavamale, vähendades valguse gradienti ja jättes seemiku valguse intensiivsuse erinevustest ilma.

Valguse nägemine

Uuringud näitavad, et need õhukanalid mängivad noorte taimede valguse jälgimisel olulist rolli. Roger Hangarter, Indiana ülikooli Bloomingtoni taimebioloog, kes uues uuringus ei osalenud, kiitis seda pikaajalisele probleemile nutika lahenduse leidmise eest. Fankhauser, Legris ja nende kolleegid "panid nende õhuruumide tähtsuse naela kirstu päris hästi," ütles ta.

Idee on tulnud varemgi, märkis Hangarter. 1984. aastal soovitas Yorki ülikooli teadlaste meeskond seda õhukanalid taimerakkude vahel võib aidata luua vajaliku valguse gradiendi. Kuid kuna meeskonnal puudus raha kulukate katsete läbiviimiseks, jäi nende ettepanek testimata.

"Meie jaoks oli alati hämmingus, kuidas need väikesed, peaaegu läbipaistvad [embrüonaalsed taimed] suutsid gradienti tuvastada, " ütles Hangarter. "Me ei usaldanud õhuruumi asja kunagi eriti, sest meie tähelepanu hajus, otsides sellega seotud molekule. Sa jõuad teatud uurimisteele ja sul tekivad silmaklapid.

Õhukanali mehhanism ühendab teiste geniaalsete seadmetega, mille taimed on välja töötanud, et kontrollida, kuidas valgus nende kaudu liigub. Näiteks aitasid Hangarteri uuringud kindlaks teha, et kloroplastid – fotosünteesi teostavad raku organellid – tantsivad aktiivselt leherakkude sees valguse liigutamiseks. Kloroplastid võivad ahnelt koonduda raku keskele, et imada nõrka valgust, või põgeneda servadele, et lasta tugevamal valgusel sügavamale taimekudedesse tungida.

Praegu laienevad uued leiud õhukanalite kohta ainult seemikutele. Kuigi need õhukanalid ilmuvad ka täiskasvanud lehtedele, kus on näidatud, et nad mängivad rolli valguse hajumises ja jaotumises, pole keegi veel testinud, kas nad mängivad fototropismis rolli, ütles Legris.

Kui kaua on õhukanalid seda rolli mänginud, on ebaselge. 400 miljoni aasta tagused primitiivsed maismaataimede fossiilid ei näita ei juuri ega lehti, kuid taimede südamikukuded näitavad üsna suured rakkudevahelised õhuruumid. Võib-olla tekkisid need algselt kudede õhutamiseks või gaasivahetuseks, ütles Fankhauser, ja seejärel kohandati neid vastavalt nende rollile fototropismis. Võib-olla arendasid taimed vartes osaliselt õhuruumi, et aidata neil valgust tajuda, ja valisid need seejärel muude funktsioonide täitmiseks.

"Nende struktuuride edasine mõistmine - kuidas need on ehitatud, milline on nende taga olev mehhanism - on taimebioloogide jaoks huvitav lisaks küsimusele, kuidas taimed valguse suunda tajuvad, " ütles Fankhauser.

Ta ütles, et see võib aidata ka välja ajada Aristotelese kummitust, mis püsib endiselt inimeste ettekujutuses taimedest. “Paljudel on tunne, et taimed on väga passiivsed organismid – nad ei oska midagi ette näha; nad lihtsalt teevad seda, mis nendega juhtub."

Kuid see idee põhineb meie ootustel selle kohta, millised silmad peaksid välja nägema. Selgub, et taimed on välja töötanud viisi, kuidas näha kogu oma keha, mis on kootud nende rakkudevahelistesse tühimikesse. Nad ei vaja valguse jälgimiseks midagi nii kohmakat kui silmapaar.