Kasvit löytävät valoa käyttämällä solujensa välisiä rakoja | Quanta-lehti

Terrakottaruukuilla vuoratulla hyllyllä yrtit taivuttavat varret lähimpään ikkunaan. Kultaisten luonnonkukkien pellolla lehdet pyörivät auringon polun mukana. Kirjavassa metsässä viiniköynnökset kiertelevät puita ja ulottuvat aina ylöspäin ja pois pimeästä.

Muinaisista ajoista lähtien kasvien kyky suunnata silmätön vartalonsa kohti lähintä, kirkkainta valonlähdettä – joka tunnetaan nykyään nimellä fototropismi – on kiehtonut tutkijoita ja synnyttänyt lukemattomia tieteellisiä ja filosofisia keskusteluja. Ja viimeisten 150 vuoden aikana kasvitieteilijät ovat onnistuneesti selvittäneet monia keskeisiä molekyylipolkuja, jotka tukevat sitä, miten kasvit aistivat valoa ja toimivat tämän tiedon perusteella.

Silti kriittinen mysteeri on kestänyt. Eläimet käyttävät silmiä – linssien ja valoreseptoreiden monimutkaista elintä – saadakseen yksityiskohtaisen kuvan ympäröivästä maailmasta, mukaan lukien valon suunnasta. Kasveilla, biologit ovat todenneet, niillä on voimakas sarja molekyylisiä työkaluja valaistuksen mittaamiseen. Mutta ilman ilmeisiä fyysisiä aistielimiä, kuten linssejä, kuinka kasvit määrittävät tarkan suunnan, josta valo tulee?

Nyt eurooppalaisten tutkijoiden ryhmä on löytänyt vastauksen. Tuoreessa lehdessä julkaistu tiede, he raportoivat, että tienvarren rikkaruoho - Arabidopsis, kasvigeneetikkojen suosikki - käyttää solujensa välisiä ilmatiloja valon hajottamiseen ja muuttaa kudosten läpi kulkevan valon reittiä. Tällä tavalla ilmakanavat luovat valogradientin, joka auttaa taimia määrittämään tarkasti, mistä valo tulee.

Hyödyntämällä ilmakanavia valon hajottamiseen, kasvit sivuuttavat erillisten elinten, kuten silmien, tarpeen ja valitsevat siistimmän tempun: kyvyn "nähdä" koko kehollaan.

Syvälle juurtunut keskustelu

Miksi ja miten kasvit suuntautuvat valoon, on ollut kiihkeän keskustelun aihe reilusti yli 2,000 vuoden ajan. Varhaiset kreikkalaiset filosofit väittivät, että kasvit, kuten eläimet, pystyivät tuntemaan ja liikkumaan ja jopa haluun ja älykkyyteen. Mutta myöhemmät ajattelijat, kuten Aristoteles, väittivät, että kasvit olivat luonnostaan ​​passiivisia, kyvyttömiä aistimaan ympäristöään, vielä vähemmän liikkumaan sen mukana. "Kasveilla ei ole tunnetta eikä halua", hän kirjoitti Kasveilla. "Nämä näkemykset meidän on hylättävä epäterveinä." Vuosisatojen ajan tutkijat olivat yhtä mieltä hänen kanssaan.

Alkemisti ja luonnonfilosofi Thomas Browne vahvisti fototropismin tosiasiaksi vasta vuonna 1658 dokumentoimalla, että kellarissa ruukuissa kasvavat sinapintaimet suuntasivat jatkuvasti kasvuaan kohti avointa ikkunaa. Mutta yli kaksi vuosisataa sen jälkeen biologit jatkoivat väittelyä siitä, kuinka kasvit tekivät sen ja reagoivatko ne auringon valoon vai sen lämpöön.

Vuonna 1880 Charles Darwin ja hänen poikansa Francis johtivat kokeita kuvaillakseen fototrooppista mekanismia, joka lopulta osoittautui toteen. Kuten kohdassa on kuvattu Liikkeen voima kasveissa, pari kasvatti taimia – kasveja, jotka eivät vielä pystyneet suorittamaan fotosynteesiä vaan luottivat sen sijaan siemenensä varastoituun energiaan – pimeässä huoneessa. Kun sininen valo paistoi niihin tietystä suunnasta, kasvit kurottivat sitä kohti. Sitten kun darwinit siirsivät valoa ympäri huonetta, he seurasivat taimien vastaavia liikkeitä.

Kokeidensa perusteella darwinit ehdottivat, että taimet olivat valoherkimpiä verson kärjessä ja että se, mitä he siellä tunsivat, johti jonkin aineen tuotantoon, joka vaikutti kasvin kasvusuuntaan. 1920-luvulle mennessä kasvitieteilijät olivat päässeet mukavaan yksimielisyyteen, joka kehitti tätä mallia: että kasveilla oli valoanturit kärjessään ja että ne tuottivat hormoneja (jota tunnistettiin myöhemmin auksiiniksi), jotka rohkaisivat kasvua niiden varjostetuilla sivuilla, mikä aiheuttaa niiden varret ja lehdet. taipumaan valoa kohti.

Kuten monet suuret löydöt, tämä avasi uuden kysymyksen: Kuinka tarkalleen kasvit pystyivät aistimaan valoa? Heiltä puuttui ilmeinen aistielin. Tutkijat alkoivat epäillä, että kasveilla täytyy olla kehittyneitä aistikykyjä.

Molekyylibiologit ottivat vastuun ja osoittivat, että kasvit pystyvät mittaamaan ja reagoimaan paljon laajemman kirjon valoa kuin me pystymme eläinsilmillemme, vaikka niiltä puuttuu erityiselin havainnointiin. Viisi erilaista fotoreseptoriperhettä sekä hormonit ja signaalireitit työskentelevät yhdessä sanellakseen solutasolle asti suunnan, johon kasvi rakentaa uutta kudosta – selittäen, kuinka varret kiertyvät, kääntyvät ja nousevat tarpeen mukaan. Nämä fotoreseptorit ovat levinneet kaikkialle kasvien kehoon, mutta ne ovat suurelta osin keskittyneet varren sisäkudokseen, sanoi. Christian Fankhauser, kasvibiologi Lausannen yliopistosta Sveitsistä ja uuden tutkimuksen kirjoittaja.

Yksinkertaiset anturit eivät kuitenkaan yksinään riitä antamaan kasveille kykyä määrittää valon suunta. Voimakkaan valaistuksen suunnan määrittämiseksi kasvin on pystyttävä vertaamaan eri fotoreseptorien välisiä signaaleja, jotta ne voivat suunnata kasvuaan kohti voimakkainta valoa. Ja tätä varten he tarvitsevat tulevaa valoa, joka putoaa antureilleen gradientissa kirkkaimmasta himmeimpään.

Eläimet ovat ratkaisseet tämän ongelman silmien kehityksen kautta. Yksinkertainen organismi, kuten planaarinen mato, tulee toimeen "silmäpisteillä", jotka vain aistivat valon läsnäolon tai puuttumisen. Monimutkaisemmissa eläimen silmissä, kuten omassamme, anatomiset ominaisuudet, kuten linssi suora valo verkkokalvolle, joka on täynnä valoantureita. Aivot vertaavat sitten kaarevan linssin kautta tulevan valon määrää eri soluissa rekisteröidyn valon määrään. Tämä järjestelmä, joka yhdistää valon fyysisen manipuloinnin molekyylisensoreihin, mahdollistaa hienorakeisten kirkkauden ja varjon gradientin havaitsemisen ja sen resoluution kuvaksi, jota kutsumme näkemiseksi.

Mutta koska kasveilla ei ole aivoja, ne tarvitsevat passiivisen järjestelmän päästäkseen samoihin johtopäätöksiin. Siksi kasvien kyky muodostaa fysikaalisia gradientteja on tärkeä: Ne luovat luontaisia ​​eroja solujen välille ilman, että kasvin tarvitsee tehdä aktiivisia vertailuja.

Siten kasvitieteilijät kohtasivat hämmennyksen. Oliko fototropismi kokonaan molekyyliprosessi, kuten jotkut epäilevät, vai voisivatko kasvit muuttaa valonsäteitä luodakseen gradientin ja ohjatakseen paremmin vastetta? Jos jälkimmäinen oli totta, kasveilla on oltava fyysiset rakenteet, jotka sallivat niiden keskittää valon.

Tämä rakenne lopulta tunnistettiin mutanttiversiossa tienvarren rikkaruohosta, joka kamppaili löytääkseen valoa.

Sokea mutantti

Thale krassi – tiedetään tunnetuksi nimellä Arabidopsis thaliana — ei ole erityisen houkutteleva kasvi. 25 senttimetriä korkea rikkaruoho rakastaa häiriintynyttä maata, pellon reunoja ja teiden reunaa. Se on kotoisin Afrikasta ja Euraasiasta, ja sitä tavataan nykyään kaikilla mantereilla Etelämannerta lukuun ottamatta. Kasvibiologit ovat sittemmin mukauttaneet sen tieteelliseen elämäntapaan: sen lyhyt elinkaari, pieni genomi (täysin kartoitettu vuonna 2000) ja taipumus tuottaa hyödyllisiä mutaatioita laboratoriossa tekevät siitä erinomaisen malliorganismin kasvien kasvun ja genetiikan ymmärtämiseen.

Fankhauser on työskennellyt Arabidopsis vuodesta 1995 lähtien tutkiakseen, miten valo muokkaa kasvien kasvua. Vuonna 2016 hänen laboratorionsa seuloi taimien geenejä löytääkseen mutanttikasveja, jotka reagoivat epätavalliseen valoon. He kasvattivat siemeniä pimeässä huoneessa, jossa oli sinisiä valoja, jotka ohjasivat taimet sivuttain. Sieltä koe jatkui enemmän tai vähemmän kuin Darwinit 150 vuotta sitten: Kun tutkijat muuttivat valon suuntaa, kasvit suuntautuivat uudelleen siihen.

Yksi mutanttikasvi kuitenkin kamppaili. Vaikka sillä ei ollut ongelmia painovoiman havaitsemisessa, se ei näyttänyt pystyvän jäljittämään valoa. Sen sijaan se taipui kaikkiin suuntiin, ikään kuin olisi sokea ja tuntenut ympärilleen pimeässä.

Jokin oli ilmeisesti mennyt pieleen mutantin kyvyssä aistia valoa. Kun ryhmä tutki kasvia, he havaitsivat, että siinä oli tyypilliset fotoreseptorit, sanoo kasvibiologi Martina Legris, joka on Fankhauserin laboratorion postdoc ja uuden paperin toinen kirjoittaja. Mutta kun ryhmä katsoi vartta mikroskoopin alla, he huomasivat jotain outoa.

Villi Arabidopsis, kuten useimpien kasvien, solujen välissä on ilmakanavia. Nämä rakenteet ovat kuin tuuletusakseleita, jotka on kudottu suljettujen soluosastojen ympärille, ja niillä tiedetään olevan tärkeitä rooleja sekä fotosynteesissä että hapetussoluissa. Mutta mutanttikasvin ilmakanavat täyttyivät vedellä. Ryhmä jäljitti geenin mutaation abcg5, joka tuottaa proteiinia, joka voi auttaa vedenpitämään soluseinän ja varmistamaan, että kasvin ilmaakselit ovat vesitiiviitä.

Kiinnostuneina tutkijat kokeilivat koetta. He täyttivät ei-mutanttien kasvien solujen väliset ilmakuilut vedellä nähdäkseen, vaikuttiko tämä niiden kasvuun. Mutantien tavoin näiden kasvien oli vaikea määrittää, mistä valo tuli. "Voimme nähdä, että nämä kasvit ovat geneettisesti normaaleja", Legris sanoi. "Ainoat asiat, jotka heiltä puuttuvat, ovat nämä ilmakanavat."

Tutkijat päättelivät, että kasvi suuntautuu valoon mekanismin kautta, joka perustuu taittumisilmiöön – valon taipumukseen muuttaa suuntaa kulkiessaan eri välineiden läpi. Taittumisen vuoksi, Legris selitti, valo kulkee normaalin läpi Arabidopsis hajoaa varren pinnan alle: Joka kerta kun se liikkuu kasvisolun läpi, joka on enimmäkseen vettä, ja sitten ilmakanavan läpi, se muuttaa suuntaa. Koska osa valosta suuntautuu prosessissa, ilmakanavat muodostavat jyrkän valogradientin eri solujen poikki, jonka avulla kasvi voi arvioida valon suunnan ja sitten kasvaa sitä kohti.

Sitä vastoin kun nämä ilmakanavat täytetään vedellä, valon sironta vähenee. Kasvisolut taittavat valoa samalla tavalla kuin tulvinut kanava, koska ne molemmat sisältävät vettä. Sironnan sijaan valo kulkee lähes suoraan solujen ja tulvivien kanavien läpi syvemmälle kudoksen sisään, mikä vähentää valon gradienttia ja riistää taimielta valon voimakkuuden erot.

Valon näkeminen

Tutkimus viittaa siihen, että näillä ilmakanavilla on ratkaiseva rooli auttamalla nuoria kasveja seuraamaan valoa. Roger HangarterIndiana University Bloomingtonin kasvibiologi, joka ei ollut mukana uudessa tutkimuksessa, ylisti sitä älykkään ratkaisun löytämisestä pitkään jatkuneeseen ongelmaan. Fankhauser, Legris ja heidän kollegansa "panivat melko hyvin naulan arkkuun näiden ilmatilojen tärkeydestä", hän sanoi.

Idea on tullut esiin aiemminkin, Hangarter huomautti. Vuonna 1984 Yorkin yliopiston tutkijaryhmä ehdotti sitä ilmakanavat kasvisolujen välillä saattaa auttaa määrittämään tarvittavan valogradientin. Mutta koska tiimillä ei ollut rahoitusta kalliiden kokeiden suorittamiseen, heidän ehdotuksensa jäi testaamatta.

"Meille oli aina hämmentävää, kuinka nämä pienet, pienet - melkein läpinäkyvät - [alkiokasvit] pystyivät havaitsemaan gradientin", Hangarter sanoi. ”Emme koskaan antaneet paljoa uskoa ilmatila-asialle, koska olimme hajamielisiä etsiessämme asiaan liittyviä molekyylejä. Pääset tietylle tutkimuspolulle ja saat silmälasit."

Ilmakanavamekanismi yhdistää nerokkaat laitteet, jotka kasvit ovat kehittäneet ohjaamaan valon liikkumista niiden läpi. Esimerkiksi Hangarterin tutkimus auttoi osoittamaan, että kloroplastit - soluorganellit, jotka suorittavat fotosynteesiä - tanssivat aktiivisesti lehtisolujen sisällä siirtää valoa ympäriinsä. Kloroplastit voivat ryhmitellä ahneesti solun keskelle imeäkseen heikkoa valoa tai pakenevat reunoihin päästääkseen voimakkaamman valon syvemmälle kasvien kudoksiin.

Toistaiseksi uudet havainnot ilmakanavista ulottuvat vain taimiin. Vaikka näitä ilmakanavia esiintyy myös aikuisissa lehdissä, joissa niillä on osoitettu olevan rooli valon sironnassa ja jakautumisessa, kukaan ei ole vielä testannut, onko niillä roolia fototropismissa, Legris sanoi.

Kuinka kauan ilmakanavat ovat toimineet tässä roolissa, on epäselvää. Alkukantaisissa maakasvien fossiileissa 400 miljoonan vuoden takaa ei näy juuria eikä lehtiä – mutta kasvien ydinkudokset osoittavat melko suuria solujen välisiä ilmatiloja. Ehkä ne syntyivät alun perin kudosten ilmastukseen tai kaasunvaihtoon, Fankhauser sanoi, ja sitten ne mukautettiin rooliinsa fototropismissa. Tai ehkä kasvit kehittivät varsiin osittain ilmatiloja auttamaan niitä aistimaan valoa ja valitsivat ne sitten suorittamaan muita tehtäviä.

"Näiden rakenteiden lisäymmärtäminen - kuinka ne on rakennettu, mikä on niiden takana oleva mekanismi - on kasvibiologeille mielenkiintoista sen lisäksi, että se kertoo, kuinka kasvit havaitsevat valon suunnan", Fankhauser sanoi.

Se voisi myös auttaa karkottamaan Aristoteleen haamua, joka edelleen viipyy ihmisten käsityksissä kasveista, hän sanoi. ”Monilla ihmisillä on tunne, että kasvit ovat hyvin passiivisia organismeja – he eivät voi ennakoida mitään; he vain tekevät mitä heille tapahtuu."

Mutta tämä ajatus perustuu odotuksiimme siitä, miltä silmien pitäisi näyttää. Osoittautuu, että kasvit ovat kehittäneet tavan nähdä koko kehonsa, joka on kudottu solujen välisiin rakoihin. He eivät tarvitse mitään niin kömpelöä kuin silmäparia seuratakseen valoa.