Planter finner lys ved å bruke gap mellom cellene deres | Quanta Magazine

På en hylle foret med terrakottapotter bøyer urter stilkene mot det nærmeste vinduet. I et felt med gylne markblomster roterer bladene med solens bane. I en sprakket skog snor vinstokker trær og strekker seg stadig oppover og vekk fra mørket.

Siden antikken har planters evne til å orientere sine øyeløse kropper mot den nærmeste, lyseste lyskilden - kjent i dag som fototropisme - fascinert forskere og skapt utallige vitenskapelige og filosofiske debatter. Og i løpet av de siste 150 årene har botanikere lykkes med å avdekke mange av de viktigste molekylære banene som underbygger hvordan planter oppfatter lys og handler på denne informasjonen.

Likevel har et kritisk mysterium bestått. Dyr bruker øyne - et komplekst organ av linser og fotoreseptorer - for å få et detaljert bilde av verden rundt dem, inkludert lysretningen. Planter, har biologer etablert, har en kraftig serie med molekylære verktøy for å måle belysning. Men i fravær av åpenbare fysiske sanseorganer som linser, hvordan regner planter ut den nøyaktige retningen lyset kommer fra?

Nå har et team av europeiske forskere funnet svaret. I en fersk avis publisert i Vitenskap, rapporterer de at en veikant- Arabidopsis, en favoritt blant plantegenetikere - bruker luftrommene mellom cellene sine til å spre lys, og modifiserer lysbanen som passerer gjennom vevet. På denne måten skaper luftkanalene en lysgradient som hjelper frøplanter nøyaktig å bestemme hvor lyset kommer fra.

Ved å utnytte luftkanaler for å spre lys, unngår plantene behovet for diskrete organer som øyne til fordel for et penere triks: evnen til å "se" med hele kroppen.

En dypt rotfestet debatt

Hvorfor og hvordan planter orienterer seg mot lys har vært gjenstand for heftig debatt i godt over 2,000 år. Tidlige greske filosofer hevdet at planter, i likhet med dyr, var i stand til sansing og bevegelse, og til og med begjær og intelligens. Men senere tenkere som Aristoteles hevdet at planter var medfødt passive, ute av stand til å sanse miljøet sitt, langt mindre å bevege seg med det. "Planter har verken følelse eller lyst," skrev han i På planter. "Disse synspunktene må vi avvise som usunne." I århundrer hadde forskere en tendens til å være enige med ham.

Det var ikke før i 1658 at alkymisten og naturfilosofen Thomas Browne etablerte fototropisme som et faktum ved å dokumentere at sennepsfrøplanter som vokste i potter i en kjeller, vedvarende orienterte veksten mot et åpent vindu. Men i mer enn to århundrer etterpå fortsatte biologer å krangle om hvordan plantene gjorde det, og om de reagerte på solens lys eller dens varme.

I 1880 ledet Charles Darwin og sønnen Francis eksperimenter for å beskrive en fototropisk mekanisme som til slutt ble bevist. Som beskrevet i Kraften til bevegelse i planter, paret dyrket frøplanter - planter som ennå ikke kunne utføre fotosyntese, i stedet avhengig av lagret energi fra frøet deres - i et mørkt rom. Når blått lys skinte på dem fra en bestemt retning, nådde plantene seg mot det. Så, mens Darwins flyttet lyset rundt i rommet, sporet de frøplantenes tilsvarende bevegelser.

Basert på deres eksperimenter antydet Darwins at frøplanter var mest lysfølsomme på spissen av skuddet, og at det de sanset der førte til produksjon av et eller annet stoff som påvirket plantens vekstretning. På 1920-tallet hadde botanikere bestemt seg for en komfortabel konsensus som utdypet den modellen: at plantene hadde lyssensorer på tuppen og at de produserte hormoner (senere identifisert som auxin) som oppmuntret til mer vekst på deres skyggefulle sider, noe som forårsaket stilkene og bladene deres. å bøye seg mot lyset.

Som mange store funn, åpnet denne et nytt spørsmål: Hvordan nøyaktig kunne planter føle lys i utgangspunktet? De manglet noe åpenbart sanseorgan. Forskere begynte å mistenke at planter må ha sofistikerte sensoriske evner.

Molekylærbiologer tok tak i anklagen og viste at planter kan måle og reagere på et langt bredere lysspekter enn vi kan med dyreøyne våre, selv om de mangler et spesialisert organ for persepsjon. Fem forskjellige familier av fotoreseptorer, pluss hormoner og signalveier, jobber sammen for å diktere ned til cellenivå retningen som en plante bygger nytt vev i - og forklarer hvordan stilkene vrir seg, snur seg og skyter oppover etter behov. Disse fotoreseptorene er spredt over hele plantekropper, men er stort sett konsentrert i det indre vevet av stilken, sa Christian Fankhauser, en plantebiolog ved Universitetet i Lausanne i Sveits og forfatter av den nye studien.

Men enkle sensorer er ikke nok alene for å gi plantene muligheten til å bestemme lysets retning. For best å finne retningen til sterk belysning, må en plante være i stand til å sammenligne signaler mellom forskjellige fotoreseptorer slik at de kan orientere veksten mot det mest intense lyset. Og for det trenger de innkommende lys for å falle på sensorene deres i en gradient fra lysest til svakest.

Dyr har løst dette problemet gjennom utvikling av øyne. En enkel organisme, for eksempel en planorm, klarer seg med "øyeflekker" som bare føler tilstedeværelse eller fravær av lys. I mer komplekse dyreøyne som våre egne, anatomiske trekk som linsen direkte lys mot netthinnen, som er fullpakket med fotosensorer. Hjernen sammenligner deretter mengden lys som kommer gjennom den buede linsen med mengden som registreres på separate celler. Dette systemet, som kombinerer fysisk manipulering av lys med molekylære sensorer, gjør det mulig å oppdage finkornede gradienter av lysstyrke og skygge, og dets oppløsning inn i bildet vi kaller syn.

Men siden planter ikke har noen hjerne, trenger de et passivt system for å komme frem til de samme konklusjonene. Det er derfor plantenes evne til å danne fysiske gradienter er viktig: De skaper iboende forskjeller mellom celler uten at planten krever aktive sammenligninger.

Dermed sto botanikere overfor en gåte. Var fototropisme utelukkende en molekylær prosess, som noen mistenkte, eller kunne planter endre lysstråler for å skape en gradient og bedre styre deres respons? Hvis det siste var sant, må planter ha fysiske strukturer som lar dem fokusere lys.

Den strukturen ville endelig bli identifisert i en mutantversjon av en veikant som slet med å finne lyset.

Den blinde mutanten

Thale karse - kjent for vitenskapen som Arabidopsis thaliana — er ikke en spesielt attraktiv plante. Den 25 centimeter høye ugressen er glad i forstyrret mark, åkerkanter og veiskulder. Den er hjemmehørende i Afrika og Eurasia, og finnes nå på alle kontinenter bortsett fra Antarktis. Plantebiologer har siden tilpasset den til en vitenskapelig livsstil: Dens korte livssyklus, lite genom (fullstendig kartlagt i 2000) og tendensen til å produsere nyttige mutasjoner i laboratoriet gjør det til en utmerket modellorganisme for å forstå plantevekst og genetikk.

Fankhauser har jobbet med Arabidopsis siden 1995 for å studere hvordan lys former plantevekst. I 2016 screenet laboratoriet hans genene til frøplanter for å finne mutante planter med uvanlige responser på lys. De dyrket frøene i et mørkt rom med blått lys for å lede frøplantene sidelengs. Derfra gikk eksperimentet mer eller mindre som Darwins gjorde for 150 år siden: Da forskerne endret retningen på lyset, reorienterte plantene seg til det.

Imidlertid slet en mutantplante. Selv om den ikke hadde noe problem med å registrere tyngdekraften, virket den ikke i stand til å spore lys. I stedet bøyde den seg i alle retninger, som om den var blind og følte seg rundt i mørket.

Noe hadde tilsynelatende gått galt med mutantens evne til å føle lys. Da teamet undersøkte planten, fant de ut at den hadde de typiske fotoreseptorene, ifølge plantebiologen Martina Legris, en postdoktor i Fankhausers laboratorium og medforfatter på det nye papiret. Men da teamet så på stilken under mikroskopet, la de merke til noe merkelig.

Det ville Arabidopsis, som de fleste planter, har luftkanaler mellom cellene. Disse strukturene er som ventilasjonssjakter vevd rundt de forseglede cellulære rommene, og de er kjent for å spille viktige roller både i fotosyntese og i oksygengivende celler. Men luftkanalene til mutantplanten ble oversvømmet med vann. Teamet sporet mutasjonen til genet abcg5, som produserer et protein som kan hjelpe vanntett celleveggen for å sikre at plantens luftsjakter er vanntette.

Spennende forsøkte forskerne et eksperiment. De fylte de intercellulære luftskaftene til ikke-mutante planter med vann for å se om dette påvirket veksten deres. I likhet med mutantene hadde disse plantene en vanskelig tid med å bestemme hvor lyset kom fra. "Vi kan se at disse plantene er genetisk normale," sa Legris. "Det eneste de mangler er disse luftkanalene."

Forskerne konkluderte med at planten orienterer seg mot lys gjennom en mekanisme basert på brytningsfenomenet - lysets tendens til å endre retning når det passerer gjennom forskjellige medier. På grunn av brytning, forklarte Legris, passerer lys gjennom en normal Arabidopsis vil spre seg under overflaten av stilken: Hver gang den beveger seg gjennom en plantecelle, som for det meste er vann, og deretter gjennom en luftkanal, endrer den retning. Siden noe av lyset blir omdirigert i prosessen, etablerer luftkanalene en bratt lysgradient over forskjellige celler, som planten kan bruke til å vurdere lysets retning og deretter vokse mot det.

I kontrast, når disse luftkanalene er fylt med vann, reduseres spredningen av lys. Planteceller bryter lys på samme måte som en oversvømt kanal, siden de begge inneholder vann. I stedet for å spre seg, passerer lyset nesten rett gjennom cellene og de oversvømte kanalene til dypere inne i vevet, noe som reduserer lysgradienten og fratar frøplanten forskjeller i lysintensitet.

Å se lyset

Forskningen tyder på at disse luftkanalene spiller en avgjørende rolle for å hjelpe unge planter med å spore lys. Roger Hangarter, en plantebiolog ved Indiana University Bloomington, som ikke var involvert i den nye studien, hyllet den for å ha funnet en smart løsning på et langvarig problem. Fankhauser, Legris og deres kolleger "satte ganske godt spikeren i kista på viktigheten av disse luftrommene," sa han.

Ideen har kommet opp før, bemerket Hangarter. I 1984 foreslo et team av forskere ved University of York det luftkanaler mellom planteceller kan bidra til å etablere den nødvendige lysgradienten. Men siden teamet ikke hadde midler til å utføre dyre eksperimenter, ble forslaget deres uprøvd.

"Det var alltid forvirrende for oss hvordan disse små, bittesmå - nesten gjennomsiktige - [embryonale plantene] kunne oppdage en gradient," sa Hangarter. "Vi ga egentlig aldri mye tiltro til luftrom-tingen fordi vi ble distrahert på jakt etter molekyler som var involvert. Du kommer inn på en viss forskningsvei, og du får skylapper på."

Luftkanalmekanismen føyer seg sammen med andre geniale enheter som planter har utviklet for å kontrollere hvordan lys beveger seg gjennom dem. For eksempel bidro forskning fra Hangarter til å fastslå at kloroplaster - de cellulære organellene som utfører fotosyntese - danser aktivt inne i bladceller å flytte lys rundt. Kloroplaster kan gruppere seg grådig i midten av cellen for å suge opp svakt lys eller flykte til kantene for å la sterkere lys passere dypere inn i plantevev.

Foreløpig strekker de nye funnene om luftkanaler seg bare til frøplanter. Mens disse luftkanalene også vises i voksne blader, hvor de har vist seg å spille en rolle i lysspredning og distribusjon, har ingen ennå testet om de spiller en rolle i fototropisme, sa Legris.

Hvor lenge luftkanaler har spilt denne rollen er uklart. Primitive landplantefossiler fra 400 millioner år siden viser verken røtter eller blader - men kjernevevet til plantene viser ganske store intercellulære luftrom. Kanskje de oppsto først for vevslufting eller gassutveksling, sa Fankhauser, og ble deretter tilpasset deres rolle i fototropisme. Eller kanskje planter utviklet luftrom i stilkene delvis for å hjelpe dem med å føle lys, og deretter valgte de å utføre andre funksjoner.

"Ytterligere forståelse av disse strukturene - hvordan de er bygget, hva er mekanismen bak dem - er interessant for plantebiologer utover spørsmålet om hvordan planter føler lysretning," sa Fankhauser.

Det kan også bidra til å utdrive Aristoteles' spøkelse, som fortsatt henger igjen i folks oppfatning av planter, sa han. «Mange har følelsen av at planter er veldig passive organismer – de kan ikke forutse noe; de bare gjør det som skjer med dem.»

Men den ideen er basert på våre forventninger til hvordan øyne skal se ut. Planter, viser det seg, har utviklet en måte å se på med hele kroppen, en vevd inn i hullene mellom cellene deres. De trenger ikke noe så klønete som et par øyne for å følge lyset.