Rastline najdejo svetlobo s pomočjo vrzeli med svojimi celicami | Revija Quanta

Na polici, obloženi z lončki iz terakote, zelišča upogibajo stebla proti najbližjemu oknu. Na polju zlatih divjih cvetov se listi vrtijo s potjo sonca. V pegastem gozdu vinske trte ovijajo drevesa, segajo vedno navzgor in stran od teme.

Že od antičnih časov je sposobnost rastlin, da svoja telesa brez oči usmerijo proti najbližjemu, najsvetlejšemu viru svetlobe – danes znana kot fototropizem – navduševala učenjake in sprožila nešteto znanstvenih in filozofskih razprav. In v zadnjih 150 letih so botaniki uspešno razkrili številne ključne molekularne poti, ki podpirajo, kako rastline zaznavajo svetlobo in delujejo na podlagi te informacije.

Kljub temu je kritična skrivnost ostala. Živali uporabljajo oči – kompleksen organ leč in fotoreceptorjev – za pridobitev podrobne slike sveta okoli sebe, vključno s smerjo svetlobe. Biologi so ugotovili, da imajo rastline močan nabor molekularnih orodij za merjenje osvetlitve. Toda v odsotnosti očitnih fizičnih organov zaznavanja, kot so leče, kako rastline določijo natančno smer, iz katere prihaja svetloba?

Zdaj je skupina evropskih raziskovalcev našla odgovor. V nedavnem prispevku objavljeno v Znanost, poročajo, da je obcestni plevel - Arabidopsis, priljubljen med rastlinskimi genetiki — uporablja zračne prostore med svojimi celicami za razprševanje svetlobe in spreminja pot svetlobe, ki gre skozi njena tkiva. Na ta način zračni kanali ustvarjajo svetlobni gradient, ki pomaga sadikam natančno določiti, od kod prihaja svetloba.

Z izkoriščanjem zračnih kanalov za razprševanje svetlobe se rastline izognejo potrebi po ločenih organih, kot so oči, v korist bolj urejenega trika: zmožnosti, da »vidijo« s celim telesom.

Globoko zakoreninjena razprava

Zakaj in kako se rastline orientirajo proti svetlobi, smo ugotovili predmet ostre razprave dobrih 2,000 let. Zgodnji grški filozofi so trdili, da so rastline, tako kot živali, sposobne občutkov in gibanja ter celo želje in inteligence. Toda poznejši misleci, kot je Aristotel, so trdili, da so bile rastline prirojeno pasivne, nezmožne zaznavati svojega okolja, še manj pa se premikati z njim. "Rastline nimajo ne občutka ne želje," je zapisal Na rastlinah. "Ta stališča moramo zavrniti kot nespametna." Stoletja so se učenjaki strinjali z njim.

Šele leta 1658 je alkimist in naravoslovni filozof Thomas Browne ugotovil fototropizem kot dejstvo, ko je dokumentiral, da so sadike gorčice, ki rastejo v lončkih v kleti, vztrajno usmerjene v rast proti odprtemu oknu. Toda več kot dve stoletji zatem so se biologi še naprej prepirali o tem, kako so rastline to storile in ali so se odzivale na sončno svetlobo ali toploto.

Leta 1880 sta Charles Darwin in njegov sin Francis vodila poskuse za opis fototropnega mehanizma, ki je bil na koncu dokazan. Kot je opisano v Moč gibanja pri rastlinah, je par vzgojil sadike - rastline, ki še niso mogle izvajati fotosinteze, namesto tega so se zanašale na shranjeno energijo iz svojih semen - v temni sobi. Ko je na njih iz določene smeri zasijala modra svetloba, so rastline segle proti njej. Potem, ko so Darwini premikali luč po sobi, so sledili ustreznim gibanjem sadik.

Darwinovi so na podlagi svojih poskusov predlagali, da so sadike najbolj občutljive na svetlobo na konici poganjka in da je tisto, kar so tam zaznali, povzročilo proizvodnjo neke snovi, ki je vplivala na smer rasti rastline. Do dvajsetih let 1920. stoletja so botaniki dosegli udoben konsenz, ki je podrobneje izdelal ta model: da imajo rastline svetlobne senzorje na svojih konicah in da proizvajajo hormone (kasneje identificirane kot avksin), ki spodbujajo večjo rast na njihovih zasenčenih straneh, kar povzroča njihove stebla in liste. upogniti se proti svetlobi.

Tako kot mnoga velika odkritja je tudi to odprlo novo vprašanje: kako natančno lahko rastline sploh zaznajo svetlobo? Manjkalo jim je očitnega čutnega organa. Raziskovalci so začeli sumiti, da morajo imeti rastline prefinjene senzorične sposobnosti.

Molekularni biologi so prevzeli nalogo in pokazali, da lahko rastline merijo in reagirajo na veliko širši spekter svetlobe, kot ga lahko mi z našimi živalskimi očmi, čeprav nimajo posebnega organa za zaznavanje. Pet različnih družin fotoreceptorjev, skupaj s hormoni in signalnimi potmi, deluje skupaj, da do celične ravni narekuje smer, v kateri rastlina gradi novo tkivo – pojasnjuje, kako se stebla po potrebi zvijajo, obračajo in poženejo navzgor. Ti fotoreceptorji so razširjeni po rastlinskih telesih, vendar so večinoma skoncentrirani v notranjem tkivu stebla, pravi Christian Fankhauser, rastlinski biolog na Univerzi v Lausanni v Švici in avtor nove študije.

Vendar preprosti senzorji sami po sebi niso dovolj, da bi rastlinam omogočili določanje smeri svetlobe. Da bi najbolje določili smer močne osvetlitve, mora biti rastlina sposobna primerjati signale med različnimi fotoreceptorji, da lahko svojo rast usmerijo proti najmočnejši svetlobi. In za to potrebujejo vhodno svetlobo, ki pada na njihove senzorje v gradientu od najsvetlejše do najslabše.

Živali so to težavo rešile z razvojem oči. Preprost organizem, kot je planarija, se znajde z "očesnimi pegami", ki zgolj zaznavajo prisotnost ali odsotnost svetlobe. V bolj zapletenih živalskih očeh, kot so naše, anatomske značilnosti, kot je leča usmeri svetlobo proti mrežnici, ki je opremljen s fotosenzorji. Možgani nato primerjajo količino svetlobe, ki prihaja skozi ukrivljeno lečo, s količino, ki jo zabeležijo posamezne celice. Ta sistem, ki združuje fizično manipulacijo svetlobe z molekularnimi senzorji, omogoča zaznavanje drobnozrnatih gradientov svetlosti in senc ter njihovo ločljivost v sliko, ki ji pravimo vid.

Ker pa rastline nimajo možganov, potrebujejo pasiven sistem, da pridejo do istih zaključkov. Zato je pomembna sposobnost rastlin, da tvorijo fizične gradiente: ustvarjajo inherentne razlike med celicami, ne da bi od rastline zahtevali aktivno primerjavo.

Tako so se botaniki soočili z uganko. Ali je bil fototropizem v celoti molekularni proces, kot so domnevali nekateri, ali bi rastline lahko spremenile svetlobne žarke, da bi ustvarile gradient in bolje usmerile svoj odziv? Če je slednje res, potem morajo imeti rastline fizične strukture, ki jim omogočajo fokusiranje svetlobe.

To strukturo bi končno prepoznali v mutirani različici obcestnega plevela, ki se je trudil najti svetlobo.

Slepi mutant

Thale kreša — v znanosti znana kot Arabidopsis thaliana — ni posebej privlačna rastlina. 25 centimetrov visok plevel obožuje raztresena zemljišča, robove polj in robove cest. Izvira iz Afrike in Evrazije, zdaj pa ga najdemo na vseh celinah razen na Antarktiki. Rastlinski biologi so ga od takrat prilagodili znanstvenemu življenjskemu slogu: njegov kratek življenjski cikel, majhen genom (v celoti preslikan leta 2000) in nagnjenost k ustvarjanju uporabnih mutacij v laboratoriju, zaradi česar je odličen model organizma za razumevanje rasti rastlin in genetike.

Fankhauser je sodeloval z Arabidopsis od leta 1995 preučuje, kako svetloba oblikuje rast rastlin. Leta 2016 je njegov laboratorij pregledal gene sadik, da bi našel mutirane rastline z nenavadnimi odzivi na svetlobo. Semena so gojili v temnem prostoru z modrimi lučmi, ki so sadike usmerile vstran. Od tam naprej je poskus potekal bolj ali manj tako kot Darwinov pred 150 leti: ko so raziskovalci spremenili smer svetlobe, so se rastline preusmerile nanjo.

Vendar se je ena mutirana rastlina borila. Čeprav ni imel težav z zaznavanjem gravitacije, se je zdelo, da ne more slediti svetlobi. Namesto tega se je upognil v vse smeri, kot da bi bil slep in tipal v temi.

Očitno je šlo nekaj narobe z mutantovo sposobnostjo zaznavanja svetlobe. Ko je ekipa pregledala rastlino, so ugotovili, da ima tipične fotoreceptorje, kot pravi rastlinska biologinja Martina Legris, podoktorica v Fankhauserjevem laboratoriju in soavtorica novega dokumenta. Ko pa je ekipa pogledala steblo pod mikroskopom, je opazila nekaj čudnega.

Divja Arabidopsis, tako kot večina rastlin, ima med celicami zračne kanale. Te strukture so kot prezračevalne jaške, stkane okoli zaprtih celičnih predelkov, in znano je, da igrajo pomembno vlogo tako pri fotosintezi kot pri oksigenaciji celic. Toda zračne kanale mutirane rastline je preplavila voda. Ekipa je sledila mutaciji gena abcg5, ki proizvaja beljakovino, ki lahko pomaga pri hidroizolaciji celične stene in tako zagotovi, da so zračni jaški rastline vodotesni.

Zaintrigirani raziskovalci so poskusili. Z vodo so napolnili medcelične zračne jaške nemutantnih rastlin, da bi ugotovili, ali to vpliva na njihovo rast. Tako kot mutanti so tudi te rastline težko določile, od kod prihaja svetloba. "Vidimo lahko, da so te rastline genetsko normalne," je dejal Legris. "Edina stvar, ki jim manjka, so ti zračni kanali."

Raziskovalci so ugotovili, da se rastlina orientira na svetlobo z mehanizmom, ki temelji na pojavu refrakcije - težnji svetlobe, da spremeni smer, ko gre skozi različne medije. Zaradi loma, je pojasnil Legris, svetloba prehaja skozi normalo Arabidopsis se bo razpršila pod površino stebla: vsakič, ko se premika skozi rastlinsko celico, ki je večinoma sestavljena iz vode, in nato skozi zračni kanal, spremeni smer. Ker se del svetlobe v procesu preusmeri, zračni kanali vzpostavijo strm svetlobni gradient med različnimi celicami, ki ga rastlina lahko uporabi za oceno smeri svetlobe in nato raste proti njej.

Nasprotno, ko so ti zračni kanali napolnjeni z vodo, se sipanje svetlobe zmanjša. Rastlinske celice lomijo svetlobo na podoben način kot poplavljen kanal, saj obe vsebujejo vodo. Namesto da bi se razpršila, gre svetloba skoraj naravnost skozi celice in preplavljene kanale globlje v tkivo, kar zmanjša gradient svetlobe in prikrajša sadike za razlike v jakosti svetlobe.

Videti svetlobo

Raziskave kažejo, da imajo ti zračni kanali ključno vlogo pri pomoči mladim rastlinam pri sledenju svetlobe. Roger Hangarter, rastlinski biolog z univerze Indiana Bloomington, ki ni bil vključen v novo študijo, jo je pozdravil, ker je našla pametno rešitev za dolgotrajni problem. Fankhauser, Legris in njihovi kolegi so "dobro zabili žebelj v krsto o pomembnosti teh zračnih prostorov," je dejal.

Zamisel se je pojavila že prej, je opozoril Hangarter. Leta 1984 je skupina raziskovalcev na Univerzi v Yorku to predlagala zračni kanali med rastlinskimi celicami lahko pomaga vzpostaviti potreben gradient svetlobe. Toda ker ekipa ni imela sredstev za izvedbo dragih poskusov, je njihov predlog ostal nepreizkušen.

"Vedno nas je zmedlo, kako lahko te majhne, ​​drobne - skoraj prozorne - [zarodne rastline] zaznajo gradient," je dejal Hangarter. »Stvarju zrak-vesolje nikoli nismo dajali velikega zaupanja, ker smo bili raztreseni zaradi iskanja vpletenih molekul. Stopiš na določeno raziskovalno pot in si nadeneš slepe oči.«

Mehanizem zračnih kanalov se združuje z drugimi domiselnimi napravami, ki so jih razvile rastline, da nadzorujejo, kako se svetloba premika skozi njih. Hangarterjeva raziskava je na primer pomagala ugotoviti, da so kloroplasti – celični organeli, ki izvajajo fotosintezo – aktivno plešejo v celicah listov premikati svetlobo. Kloroplasti se lahko pohlepno združujejo v središču celice, da vpijejo šibko svetlobo, ali pa pobegnejo na rob, da močnejša svetloba preide globlje v rastlinska tkiva.

Nova spoznanja o zračnih kanalih se za zdaj nanašajo le na sadike. Medtem ko se ti zračni kanali pojavljajo tudi v odraslih listih, kjer je bilo dokazano, da igrajo vlogo pri sipanju in distribuciji svetlobe, nihče še ni testiral, ali igrajo vlogo pri fototropizmu, je dejal Legris.

Kako dolgo so zračni kanali igrali to vlogo, ni jasno. Primitivni fosili kopenskih rastlin izpred 400 milijonov let ne kažejo niti korenin niti listov - vendar jedrna tkiva rastlin kažejo precej velike medcelične zračne prostore. Fankhauser je dejal, da so morda sprva nastali za prezračevanje tkiv ali izmenjavo plinov, nato pa so bili prilagojeni njihovi vlogi v fototropizmu. Ali pa so rastline morda delno razvile zračne prostore v steblih, da bi jim pomagale zaznati svetlobo, in jih nato prevzele za opravljanje drugih funkcij.

"Nadaljnje razumevanje teh struktur - kako so zgrajene, kakšen je mehanizem za njimi - je zanimivo za rastlinske biologe poleg vprašanja, kako rastline zaznavajo smer svetlobe," je dejal Fankhauser.

Lahko bi tudi pomagalo izgnati Aristotelovega duha, ki še vedno ostaja v človeškem dojemanju rastlin, je dejal. »Mnogi ljudje imajo občutek, da so rastline zelo pasivni organizmi – ničesar ne morejo predvideti; preprosto naredijo, kar se jim zgodi.«

Toda ta ideja temelji na naših pričakovanjih o tem, kakšne bi morale biti oči. Izkazalo se je, da so rastline razvile način gledanja s celim telesom, ki je vtkano v vrzeli med njihovimi celicami. Ne potrebujejo ničesar tako okornega kot par oči, da sledijo svetlobi.