A növények sejtjeik közötti rések segítségével fényt találnak | Quanta Magazin

A terrakotta cserepekkel bélelt polcon a gyógynövények a szárukat a legközelebbi ablak felé hajlítják. Az aranyló vadvirágok mezőjében a levelek a nap útjával együtt forognak. Egy foltos erdőben szőlők fonják össze a fákat, és egyre feljebb nyúlnak, és távolodnak a sötéttől.

Ősidők óta lenyűgözte a tudósokat, és számtalan tudományos és filozófiai vitát váltott ki a növények azon képessége, hogy szem nélküli testüket a legközelebbi, legfényesebb fényforrás felé irányítsák – ma fototropizmusnak nevezik. Az elmúlt 150 év során a botanikusok sikeresen feltárták azokat a kulcsfontosságú molekuláris útvonalakat, amelyek alátámasztják, hogy a növények hogyan érzékelik a fényt, és hogyan hatnak erre az információra.

Egy kritikus rejtély azonban megmaradt. Az állatok a szemet – a lencsékből és fotoreceptorokból álló összetett szervet – használják, hogy részletes képet kapjanak a körülöttük lévő világról, beleértve a fény irányát is. A növények, biológusok megállapították, hogy a megvilágítás mérésére szolgáló molekuláris eszközök hatalmas sorozatával rendelkeznek. De nyilvánvaló fizikai érzékelő szervek, például lencsék hiányában hogyan határozzák meg a növények a pontos irányt, ahonnan a fény jön?

Most egy európai kutatócsoport talált választ. Egy friss lapban kiadva Tudomány, arról számolnak be, hogy egy út menti gaz - Arabidopsis, a növénygenetikusok kedvence – a sejtjei közötti légteret használja a fény szórására, módosítva a szövetein áthaladó fény útját. Ily módon a légcsatornák olyan fény gradienst hoznak létre, amely segít a palántáknak pontosan meghatározni, honnan jön a fény.

Azáltal, hogy a növények a légcsatornákat kihasználva a fényt szétszórják, megkerülik a különálló szervek, például a szemek iránti igényt, és egy ügyesebb trükköt választanak: gyakorlatilag az egész testükkel képesek „látni”.

Mélyen gyökerező vita

Miért és hogyan orientálódnak a növények a fény felé heves vita tárgya jóval több mint 2,000 éve. A korai görög filozófusok azzal érveltek, hogy a növények az állatokhoz hasonlóan képesek érzékelni és mozogni, sőt vágyra és intelligenciára is képesek. De a későbbi gondolkodók, mint Arisztotelész, azt állították, hogy a növények eredendően passzívak, nem képesek érzékelni környezetüket, és még kevésbé mozogni vele. „A növényeknek nincs sem érzékük, sem vágyuk” – írta Növényeken. "Ezeket a nézeteket el kell utasítanunk, mint megalapozatlanokat." A tudósok évszázadokon át hajlamosak voltak egyetérteni vele.

Thomas Browne alkimista és természetfilozófus csak 1658-ban állapította meg tényként a fototropizmust azáltal, hogy dokumentálta, hogy az alagsorban cserepekben termő mustárpalánták folyamatosan a nyitott ablak felé irányították növekedésüket. De ezt követően több mint két évszázadon át a biológusok továbbra is vitatkoztak arról, hogyan tették ezt a növények, és hogy reagálnak-e a nap fényére vagy annak melegére.

1880-ban Charles Darwin és fia, Francis kísérleteket végzett egy fototróp mechanizmus leírására, amely végül bebizonyosodott. pontban leírtak szerint A mozgás ereje a növényekben, a pár palántákat nevel – olyan növényeket, amelyek még nem tudtak fotoszintézist végrehajtani, hanem a magjukból származó tárolt energiára támaszkodtak – egy sötét szobában. Amikor egy adott irányból kék fény sütött rájuk, a növények odanyúltak. Aztán, ahogy a Darwinok körbemozgatták a fényt a szobában, nyomon követték a palánták megfelelő mozgását.

Kísérleteik alapján a darwinok azt sugallták, hogy a palánták a legfényérzékenyebbek a hajtás csúcsán, és amit ott érzékeltek, az valamilyen anyag termelődéséhez vezetett, ami befolyásolta a növény növekedési irányát. Az 1920-as évekre a botanikusok egy kényelmes konszenzusra jutottak, amely ezt a modellt dolgozta ki: a növények csúcsaiban fényérzékelők voltak, és hormonokat termeltek (később auxinként azonosították), amelyek fokozzák a növekedést az árnyékolt oldalukon, ami szárukat és leveleiket okozza. a fény felé hajolni.

Sok nagyszerű felfedezéshez hasonlóan ez is egy új kérdést nyitott meg: Hogyan érzékelhetik a növények a fényt? Hiányzott belőlük minden nyilvánvaló érzékszerv. A kutatók gyanakodni kezdtek, hogy a növényeknek kifinomult érzékszervi képességekkel kell rendelkezniük.

Molekuláris biológusok vállalták a feladatot, és kimutatták, hogy a növények sokkal szélesebb spektrumú fényt képesek mérni és reagálni, mint mi az állati szemünkkel, még akkor is, ha nem rendelkeznek speciális érzékelési szervvel. A fotoreceptorok öt különböző családja, valamint a hormonok és a jelutak együttműködnek annak érdekében, hogy a sejtszintig meghatározzák azt az irányt, amelyben a növény új szöveteket épít fel – elmagyarázva, hogyan csavarodnak, fordulnak és felfelé hajtanak a szárak, ha szükséges. Ezek a fotoreceptorok elterjedtek a növényi testekben, de nagyrészt a szár belső szövetében koncentrálódnak. Christian Fankhauser, a svájci Lausanne Egyetem növénybiológusa és az új tanulmány szerzője.

Az egyszerű érzékelők azonban önmagukban nem elegendőek ahhoz, hogy a növények képesek legyenek meghatározni a fény irányát. Az erős megvilágítás irányának legjobb meghatározásához a növénynek képesnek kell lennie a különböző fotoreceptorok jeleinek összehasonlítására, hogy növekedésüket a legintenzívebb fény felé irányíthassák. Ehhez pedig bejövő fényre van szükségük, amely a legfényesebbtől a leghalványabbig tartó gradiensben eshet az érzékelőikre.

Az állatok a szem fejlesztésével oldották meg ezt a problémát. Egy egyszerű organizmus, például egy síkféreg, megbirkózik a „szemfoltokkal”, amelyek csupán a fény jelenlétét vagy hiányát érzékelik. Az összetettebb állati szemekben, mint a sajátunk, az anatómiai jellemzők, mint a lencse irányítsa a fényt a retina felé, amely tele van fotoszenzorokkal. Az agy ezután összehasonlítja az íves lencsén keresztül érkező fény mennyiségét a különálló sejtekben regisztráló fény mennyiségével. Ez a rendszer, amely a fény fizikai manipulációját molekuláris érzékelőkkel kombinálja, lehetővé teszi a fényesség és árnyék finomszemcsés gradienseinek észlelését, valamint annak képbe való felbontását, amelyet látásnak nevezünk.

De mivel a növényeknek nincs agyuk, szükségük van egy passzív rendszerre, hogy ugyanazokra a következtetésekre jussanak. Ezért fontos a növények fizikai gradiensek kialakítására való képessége: belső különbségeket hoznak létre a sejtek között anélkül, hogy a növénynek aktív összehasonlítást kellene végeznie.

Így a botanikusok egy rejtvény elé néztek. A fototropizmus teljes egészében molekuláris folyamat volt, ahogy azt egyesek feltételezték, vagy a növények megváltoztathatják a fénysugarakat, hogy gradienst hozzanak létre, és jobban irányítsák válaszukat? Ha ez utóbbi igaz, akkor a növényeknek olyan fizikai struktúrákkal kell rendelkezniük, amelyek lehetővé teszik a fény fókuszálását.

Ezt a szerkezetet végül egy út menti gyom mutáns változatában azonosították, amely nehezen találta meg a fényt.

A vak mutáns

Thale zsázsa – a tudomány úgy ismeri, mint Arabidopsis thaliana – nem különösebben vonzó növény. A 25 centiméter magas gaz szereti a bolygatott földet, a táblaszéleket és az utak szegélyét. Afrikában és Eurázsiában őshonos, ma már az Antarktisz kivételével minden kontinensen megtalálható. A növénybiológusok azóta a tudományos életmódhoz igazították: rövid életciklusa, kis genomja (2000-ben teljesen feltérképezték) és az a tendencia, hogy hasznos mutációkat hoz létre a laboratóriumban, mind kiváló modellszervezetté teszi a növények növekedésének és genetikájának megértéséhez.

Fankhauser dolgozott együtt Arabidopsis 1995 óta annak tanulmányozására, hogy a fény hogyan alakítja a növények növekedését. 2016-ban laboratóriuma átvizsgálta a palánták génjeit, hogy találjon mutáns növényeket, amelyek szokatlan fényre reagálnak. Sötét szobában termesztették a magokat, kék fényekkel, hogy oldalra tereljék a palántákat. Innentől kezdve a kísérlet nagyjából úgy zajlott, mint a Darwinoké 150 évvel ezelőtt: ahogy a kutatók megváltoztatták a fény irányát, a növények átirányították magukat arra.

Egy mutáns növény azonban küzdött. Noha nem okozott gondot a gravitáció érzékelése, úgy tűnt, képtelen volt követni a fényt. Ehelyett minden irányba hajlott, mintha vak lenne, és érezné a sötétben.

Valami nyilvánvalóan elromlott a mutáns fényérzékelési képességében. Martina Legris növénybiológus, Fankhauser laboratóriumának posztdoktora és az új tanulmány társszerzője szerint, amikor a csapat megvizsgálta a növényt, azt találták, hogy a tipikus fotoreceptorokkal rendelkezik. Ám amikor a csapat a mikroszkóp alatt megnézte a szárat, valami furcsa dologra lett figyelmes.

A vad Arabidopsis, mint a legtöbb növénynek, a sejtjei között légcsatornák vannak. Ezek a struktúrák olyanok, mint a szellőzőtengelyek, amelyek a lezárt sejtrekeszek köré fonódnak, és köztudottan fontos szerepet játszanak mind a fotoszintézisben, mind a sejtek oxigénellátásában. A mutáns növény légcsatornáit azonban elöntötte a víz. A csapat nyomon követte a gén mutációját abcg5, amely olyan fehérjét termel, amely segíthet a sejtfal vízszigetelésében, hogy a növény légtengelyei vízzáróak legyenek.

A kutatók érdeklődve kísérletet tettek. Megtöltötték a nem mutáns növények intercelluláris légtengelyeit vízzel, hogy megnézzék, ez befolyásolja-e a növekedésüket. A mutánsokhoz hasonlóan ezeknek a növényeknek is nehéz volt meghatározni, honnan jön a fény. "Láthatjuk, hogy ezek a növények genetikailag normálisak" - mondta Legris. – Csak ezek a légcsatornák hiányoznak.

A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a növény a fénytörés jelenségén alapuló mechanizmuson keresztül orientálja magát a fény felé – a fény azon tendenciáján, hogy irányt változtat, ahogy áthalad a különböző közegeken. A fénytörés miatt, magyarázta Legris, a fény áthalad a normálon Arabidopsis szétszóródik a szár felszíne alatt: Minden alkalommal, amikor áthalad egy növényi sejten, amely többnyire víz, majd egy légcsatornán keresztül, irányt változtat. Mivel a folyamat során a fény egy része átirányul, a légcsatornák meredek fénygradienst hoznak létre a különböző sejtek között, amelyet a növény felhasználhat a fény irányának felmérésére, majd a felé történő növekedésre.

Ezzel szemben, ha ezek a légcsatornák megtelnek vízzel, a fényszóródás csökken. A növényi sejtek hasonló módon törik meg a fényt, mint egy elárasztott csatorna, mivel mindkettő tartalmaz vizet. A fény a szóródás helyett szinte egyenesen áthalad a sejteken és az elárasztott csatornákon a szöveten belüli mélyebbre, csökkentve a fény gradienst és megfosztva a palántát a fényintenzitásbeli különbségektől.

Látni a Fényt

A kutatás azt sugallja, hogy ezek a légcsatornák kritikus szerepet játszanak a fiatal növények fénykövetésében. Roger Hangarter, az Indiana University Bloomington növénybiológusa, aki nem vett részt az új tanulmányban, üdvözölte, hogy okos megoldást talált egy régóta fennálló problémára. Fankhauser, Legris és kollégáik „nagyon jól beletették a szöget a koporsóba e légterek fontosságán” – mondta.

Az ötlet már korábban is felmerült – jegyezte meg Hangarter. 1984-ben a Yorki Egyetem kutatócsoportja azt javasolta légcsatornák a növényi sejtek között segíthet a szükséges fénygradiens kialakításában. De mivel a csapatnak nem volt pénze költséges kísérletek elvégzésére, javaslatukat nem tesztelték.

„Mindig is megdöbbentett bennünket, hogy ezek a kis, parányi – szinte átlátszó – [embrionális növények] hogyan képesek érzékelni egy gradienst” – mondta Hangarter. „Soha nem adtunk nagy hitelt a légtér dolognak, mert eltereltük a figyelmünket az érintett molekulák után kutatva. Egy bizonyos kutatási útra lépsz, és szemfényvesztők vannak."

A légcsatorna mechanizmus más zseniális eszközökhöz csatlakozik, amelyeket a növények fejlesztettek ki, hogy szabályozzák a fény áthaladását rajtuk. A Hangarter kutatása például segített megállapítani, hogy a kloroplasztiszok – a fotoszintézist végző sejtszervecskék – aktívan táncol a levélsejteken belül mozgatni a fényt. A kloroplasztiszok mohón csoportosulhatnak a sejt közepén, hogy felszívják a gyenge fényt, vagy a szélekre menekülhetnek, hogy az erősebb fény mélyebbre juthasson a növényi szövetekbe.

A légcsatornákkal kapcsolatos új megállapítások egyelőre csak a palántákra vonatkoznak. Míg ezek a légcsatornák a felnőtt levelekben is megjelennek, ahol kimutatták, hogy szerepet játszanak a fényszórásban és -eloszlásban, még senki sem tesztelte, hogy szerepet játszanak-e a fototropizmusban, mondta Legris.

Nem világos, hogy a légcsatornák mióta töltik be ezt a szerepet. A 400 millió évvel ezelőtti primitív szárazföldi növényi kövületek nem mutatnak sem gyökereket, sem leveleket – de a növények magszövetei igen meglehetősen nagy intercelluláris légterek. Talán kezdetben a szövetek levegőztetésére vagy gázcserére jöttek létre, mondta Fankhauser, majd alkalmazkodtak a fototropizmusban betöltött szerepükhöz. Vagy talán a növények részben légteret alakítottak ki a szárban, hogy segítsenek nekik érzékelni a fényt, majd más funkciók ellátására kooptáltuk őket.

„E struktúrák további megértése – hogyan épülnek fel, mi a mechanizmus mögöttük – érdekes a növénybiológusok számára azon a kérdésen túl, hogy a növények hogyan érzékelik a fény irányát” – mondta Fankhauser.

Ez segíthet Arisztotelész szellemének ördögűzésében is, amely még mindig ott van az emberek növényfelfogásában, mondta. „Sok embernek az az érzése, hogy a növények nagyon passzív organizmusok – semmit sem tudnak előre látni; csak azt teszik, ami történik velük."

De ez az elképzelés azon az elvárásainkon alapul, hogy milyennek kell lennie a szemünknek. Kiderült, hogy a növények egy olyan módot fejlesztettek ki, hogy egész testükkel látnak, a sejtjeik közötti résekbe beleszőtt módot. Nincs szükségük olyan ügyetlen dolgokra, mint egy szempár, hogy kövessék a fényt.