Växter hittar ljus genom att använda luckor mellan sina celler | Quanta Magazine

På en hylla kantad av terrakottakrukor böjer örter sina stjälkar mot närmaste fönster. I ett fält av gyllene vildblommor roterar löv med solens väg. I en fläckig skog tvinnar vinstockar upp träd och når hela tiden uppåt och bort från mörkret.

Sedan urminnes tider har växters förmåga att orientera sina ögonlösa kroppar mot den närmaste, ljusaste ljuskällan - idag känd som fototropism - fascinerat forskare och genererat otaliga vetenskapliga och filosofiska debatter. Och under de senaste 150 åren har botaniker framgångsrikt avslöjat många av de viktigaste molekylära vägarna som underbygger hur växter känner av ljus och agerar på den informationen.

Ändå har ett kritiskt mysterium bestått. Djur använder ögon - ett komplext organ av linser och fotoreceptorer - för att få en detaljerad bild av världen runt dem, inklusive ljusets riktning. Växter, har biologer fastställt, har en kraftfull uppsättning molekylära verktyg för att mäta belysning. Men i avsaknad av uppenbara fysiska avkänningsorgan som linser, hur räknar växter ut den exakta riktningen från vilken ljus kommer?

Nu har ett team av europeiska forskare hittat ett svar. I en ny tidning som publicerades i Vetenskap, rapporterar de att ett ogräs vid vägkanten - Arabidopsis, en favorit bland växtgenetiker - använder luftutrymmena mellan sina celler för att sprida ljus, och ändrar ljusets väg som passerar genom dess vävnader. På så sätt skapar luftkanalerna en ljusgradient som hjälper plantor att exakt avgöra varifrån ljuset kommer.

Genom att dra fördel av luftkanaler för att sprida ljus undviker växter behovet av diskreta organ som ögon till förmån för ett snyggare trick: förmågan att faktiskt "se" med hela sin kropp.

En djupt rotad debatt

Varför och hur växter orienterar sig mot ljus har varit föremål för hård debatt i över 2,000 XNUMX år. Tidiga grekiska filosofer hävdade att växter, precis som djur, var kapabla till sensation och rörelse, och till och med begär och intelligens. Men senare tänkare som Aristoteles hävdade att växter var medfödd passiva, oförmögna att känna av sin omgivning, än mindre att röra sig med den. "Växter har varken känsla eller lust," skrev han i På Växter. "Dessa åsikter måste vi förkasta som osunda." I århundraden tenderade forskare att hålla med honom.

Det var inte förrän 1658 som alkemisten och naturfilosofen Thomas Browne etablerade fototropism som ett faktum genom att dokumentera att senapsplantor som växer i krukor i en källare ihärdigt orienterade sin tillväxt mot ett öppet fönster. Men i mer än två århundraden därefter fortsatte biologer att argumentera om hur växterna gjorde det, och om de reagerade på solens ljus eller dess värme.

1880 ledde Charles Darwin och hans son Francis experiment för att beskriva en fototropisk mekanism som till slut bevisades. Som beskrivs i Kraften i rörelse i växter, paret odlade plantor - växter som ännu inte kunde utföra fotosyntes, istället förlitade sig på lagrad energi från deras frö - i ett mörkt rum. När blått ljus lyste på dem från ett visst håll sträckte sig växterna mot det. Sedan, när Darwins flyttade ljuset runt i rummet, spårade de plantornas motsvarande rörelser.

Baserat på sina experiment föreslog familjen Darwin att plantor var mest ljuskänsliga i spetsen av skottet, och att det de kände där ledde till produktion av något ämne som påverkade växtens riktning. På 1920-talet hade botaniker bestämt sig för en bekväm konsensus som utvecklade den modellen: att växter hade ljussensorer vid sina spetsar och att de producerade hormoner (senare identifierade som auxin) som uppmuntrade mer tillväxt på deras skuggade sidor, vilket orsakade deras stjälkar och blad att böja sig mot ljuset.

Liksom många stora upptäckter öppnade den här en ny fråga: Hur exakt kunde växter känna ljus från början? De saknade något uppenbart sinnesorgan. Forskare började misstänka att växter måste ha sofistikerade sensoriska förmågor.

Molekylärbiologer tog upp anklagelsen och visade att växter kan mäta och reagera på ett mycket bredare spektrum av ljus än vad vi kan med våra djurögon, även om de saknar ett specialiserat organ för perception. Fem olika familjer av fotoreceptorer, plus hormoner och signalvägar, arbetar tillsammans för att diktera ner till cellnivå i vilken riktning en växt bygger ny vävnad - och förklarar hur stjälkar vrider sig, vänder och skjuter uppåt efter behov. Dessa fotoreceptorer är spridda över växtkropparna men är till stor del koncentrerade i stammens inre vävnad, sa Christian Fankhauser, en växtbiolog vid universitetet i Lausanne i Schweiz och en författare till den nya studien.

Enkla sensorer räcker dock inte ensamma för att ge växter förmågan att bestämma ljusets riktning. För att bäst peka ut riktningen för stark belysning måste en växt kunna jämföra signaler mellan olika fotoreceptorer så att de kan orientera sin tillväxt mot det mest intensiva ljuset. Och för det behöver de att inkommande ljus faller på sina sensorer i en gradient från ljusast till svagast.

Djur har löst detta problem genom utveckling av ögon. En enkel organism, som en plan mask, klarar sig med "ögonfläckar" som bara känner av närvaron eller frånvaron av ljus. I mer komplexa djurögon som våra egna, anatomiska egenskaper som linsen rikta ljus mot näthinnan, som är packad med fotosensorer. Hjärnan jämför sedan mängden ljus som kommer genom den böjda linsen med mängden som registreras på separata celler. Detta system, som kombinerar fysisk manipulation av ljus med molekylära sensorer, möjliggör detektering av finkorniga gradienter av ljusstyrka och skugga, och dess upplösning in i bilden vi kallar syn.

Men eftersom växter inte har någon hjärna behöver de ett passivt system för att komma fram till samma slutsatser. Det är därför växters förmåga att bilda fysiska gradienter är viktig: De skapar inneboende distinktioner mellan celler utan att växten behöver göra aktiva jämförelser.

Därmed stod botaniker inför en gåta. Var fototropism helt och hållet en molekylär process, som vissa misstänkte, eller kunde växter ändra ljusstrålar för att skapa en gradient och bättre rikta deras respons? Om det senare var sant måste växter ha fysiska strukturer som gör att de kan fokusera ljus.

Den strukturen skulle äntligen identifieras i en mutantversion av ett ogräs vid vägkanten som kämpade för att hitta ljuset.

Den blinda mutanten

Thale krasse — känd för vetenskapen som Arabidopsis thaliana — är inte en särskilt attraktiv växt. Det 25 centimeter höga ogräset är förtjust i störd mark, åkerkanter och vägar. Infödd i Afrika och Eurasien, den finns nu på alla kontinenter utom Antarktis. Växtbiologer har sedan dess anpassat den till en vetenskaplig livsstil: dess korta livscykel, små genom (helt kartlagd år 2000) och tendensen att producera användbara mutationer i labbet gör det till en utmärkt modellorganism för att förstå växttillväxt och genetik.

Fankhauser har arbetat med Arabidopsis sedan 1995 för att studera hur ljus formar växternas tillväxt. 2016 screenade hans labb generna från plantor för att hitta muterade växter med ovanliga reaktioner på ljus. De odlade fröna i ett mörkt rum med blått ljus för att rikta plantorna åt sidan. Därifrån pågick experimentet ungefär som Darwins gjorde för 150 år sedan: När forskarna ändrade ljusets riktning omorienterade växterna sig till det.

En mutantväxt kämpade dock. Även om den inte hade några problem med att känna av gravitationen, verkade den inte kunna spåra ljus. Istället böjde den sig åt alla håll, som om den var blind och kände sig i mörkret.

Något hade tydligen gått fel med mutantens förmåga att känna av ljus. När teamet undersökte växten fann de att den hade de typiska fotoreceptorerna, enligt växtbiologen Martina Legris, postdoc i Fankhausers labb och medförfattare till det nya papperet. Men när teamet tittade på stammen under mikroskopet märkte de något konstigt.

Det vilda Arabidopsis, som de flesta växter, har luftkanaler mellan sina celler. Dessa strukturer är som ventilationsschakt vävda runt de förseglade cellulära facken, och de är kända för att spela viktiga roller både i fotosyntes och i syresättande celler. Men den muterade växtens luftkanaler översvämmades med vatten. Teamet spårade mutationen till genen abcg5, som producerar ett protein som kan hjälpa till att vattentäta cellväggen för att säkerställa att växtens luftaxlar är vattentäta.

Intresserade försökte forskarna ett experiment. De fyllde de intercellulära luftschakten hos icke-mutanta växter med vatten för att se om detta påverkade deras tillväxt. Precis som mutanterna hade dessa växter svårt att avgöra var ljuset kom ifrån. "Vi kan se att dessa växter är genetiskt normala," sa Legris. "Det enda de saknar är dessa luftkanaler."

Forskarna drog slutsatsen att växten orienterar sig mot ljus genom en mekanism baserad på fenomenet brytning - ljusets tendens att ändra riktning när det passerar genom olika medier. På grund av brytning, förklarade Legris, ljus passerar genom en normal Arabidopsis kommer att spridas under stammens yta: Varje gång den rör sig genom en växtcell, som mestadels är vatten, och sedan genom en luftkanal, ändrar den riktning. Eftersom en del av ljuset omdirigeras i processen skapar luftkanalerna en brant ljusgradient över olika celler, som växten kan använda för att bedöma ljusets riktning och sedan växa mot det.

Däremot, när dessa luftkanaler är fyllda med vatten, minskar spridningen av ljus. Växtceller bryter ljus på liknande sätt som en översvämmad kanal, eftersom de båda innehåller vatten. Istället för att spridas passerar ljuset nästan rakt genom cellerna och de översvämmade kanalerna till djupare inuti vävnaden, vilket minskar ljusgradienten och berövar fröplantan skillnader i ljusintensitet.

Att se ljuset

Forskningen tyder på att dessa luftkanaler spelar en avgörande roll för att hjälpa unga växter att spåra ljus. Roger Hangarter, en växtbiolog vid Indiana University Bloomington, som inte var involverad i den nya studien, hyllade den för att ha hittat en smart lösning på ett långvarigt problem. Fankhauser, Legris och deras kollegor "satte ganska väl spiken i kistan om vikten av dessa luftrum", sa han.

Idén har kommit upp tidigare, konstaterade Hangarter. 1984 föreslog ett team av forskare vid University of York det luftkanaler mellan växtceller kan hjälpa till att skapa den nödvändiga ljusgradienten. Men eftersom teamet inte hade finansiering för att genomföra dyra experiment, gick deras förslag oprövat.

"Det var alltid förbryllande för oss hur dessa små, små - nästan genomskinliga - [embryonala växter] kunde upptäcka en gradient," sa Hangarter. "Vi gav aldrig så mycket tilltro till det där med luftrum eftersom vi var distraherade och letade efter molekyler som var inblandade. Du kommer in på en viss forskningsväg och du får skygglappar på."

Luftkanalmekanismen förenar sig med andra geniala enheter som växter har utvecklat för att kontrollera hur ljuset rör sig genom dem. Till exempel hjälpte forskning av Hangarter till att fastställa att kloroplaster - de cellulära organeller som utför fotosyntes - dansa aktivt inuti bladceller att flytta runt ljus. Kloroplaster kan hopa sig girigt i mitten av cellen för att suga upp svagt ljus eller fly till marginalerna för att låta starkare ljus passera djupare in i växtvävnader.

För närvarande sträcker sig de nya rönen om luftkanaler endast till plantor. Även om dessa luftkanaler också visas i vuxna löv, där de har visat sig spela en roll i ljusspridning och distribution, har ingen ännu testat om de spelar en roll i fototropism, sa Legris.

Hur länge luftkanaler har spelat denna roll är oklart. Primitiva landväxtfossiler från 400 miljoner år sedan visar varken rötter eller löv - men växternas kärnvävnader visar ganska stora intercellulära luftrum. Kanske uppstod de initialt för vävnadsluftning eller gasutbyte, sa Fankhauser, och anpassades sedan till sin roll i fototropism. Eller kanske växter utvecklade luftrum i stjälkar delvis för att hjälpa dem att känna av ljus och sedan samordnade dem för att utföra andra funktioner.

"Vidare förstå dessa strukturer - hur de är byggda, vad är mekanismen bakom dem - är intressant för växtbiologer utöver frågan om hur växter känner av ljusets riktning," sa Fankhauser.

Det kan också hjälpa till att exorciera Aristoteles spöke, som fortfarande finns kvar i människors uppfattningar om växter, sa han. "Många människor har en känsla av att växter är mycket passiva organismer - de kan inte förutse någonting; de gör bara vad som händer dem.”

Men den idén bygger på våra förväntningar på hur ögon ska se ut. Växter, visar det sig, har utvecklat ett sätt att se med hela sin kropp, en invävd i mellanrummen mellan deras celler. De behöver inget så klumpigt som ett par ögon för att följa ljuset.