Рослини знаходять світло за допомогою проміжків між своїми клітинами | Журнал Quanta

На полиці, заставленій теракотовими горщиками, трави схиляють свої стебла до найближчого вікна. У полі золотих польових квітів листя обертається разом із доріжкою сонця. У поцяткому лісі виноградні лози обвивають дерева, тягнучись угору та подалі від темряви.

З давніх часів здатність рослин орієнтувати свої безокі тіла на найближче, найяскравіше джерело світла — відома сьогодні як фототропізм — захоплювала вчених і викликала незліченні наукові та філософські дебати. І за останні 150 років ботаніки успішно розгадали багато ключових молекулярних шляхів, які лежать в основі того, як рослини сприймають світло та діють на основі цієї інформації.

Проте критична таємниця збереглася. Тварини використовують очі — складний орган з лінз і фоторецепторів — щоб отримати детальну картину навколишнього світу, включаючи напрямок світла. Біологи встановили, що рослини мають потужний набір молекулярних інструментів для вимірювання освітленості. Але за відсутності очевидних фізичних органів чуття, таких як лінзи, як рослини визначають точний напрямок, звідки надходить світло?

Тепер команда європейських дослідників знайшла відповідь. У нещодавній статті опубліковані в наука, повідомляють, що придорожній бур’ян — Арабідопсис, улюблений генетиками рослин, — використовує повітряні простори між своїми клітинами для розсіювання світла, змінюючи шлях світла, що проходить через його тканини. Таким чином, повітряні канали створюють світловий градієнт, який допомагає розсаді точно визначити, звідки надходить світло.

Використовуючи повітряні канали для розсіювання світла, рослини уникають потреби в окремих органах, як-от очі, на користь більш акуратного трюку: здатності «бачити» всім тілом.

Глибоко вкорінена дискусія

Чому і як рослини орієнтуються на світло? предмет запеклої дискусії протягом більш ніж 2,000 років. Ранні грецькі філософи стверджували, що рослини, як і тварини, здатні відчувати та рухатися, і навіть бажання та розум. Але такі пізніші мислителі, як Аристотель, стверджували, що рослини від природи пасивні, нездатні відчувати навколишнє середовище, а тим більше рухатися разом з ним. «У рослин немає ні відчуття, ні бажання», — писав він Про рослини. «Ці погляди ми повинні відкинути як нерозумні». Століттями вчені були схильні погоджуватися з ним.

Лише в 1658 році алхімік і натурфілософ Томас Браун встановив фототропізм як факт, задокументувавши, що розсада гірчиці, яка росла в горщиках у підвалі, постійно орієнтувала свій ріст у бік відкритого вікна. Але протягом більш ніж двох століть після цього біологи продовжували сперечатися про те, як рослини це зробили, і реагували вони на сонячне світло чи на його тепло.

У 1880 році Чарльз Дарвін і його син Френсіс провели експерименти з опису фототропного механізму, який був остаточно доведений. Як описано в Сила руху в рослинах, пара виростила розсаду — рослини, які ще не могли виконувати фотосинтез, покладаючись натомість на енергію, накопичену в їхньому насінні, — у темній кімнаті. Коли синє світло світило на них з певного напрямку, рослини тягнулися до нього. Потім, коли Дарвіни рухали світло кімнатою, вони відстежували відповідні рухи саджанців.

Грунтуючись на своїх експериментах, Дарвіни припустили, що саджанці найбільш чутливі до світла на кінчику пагона, і що те, що вони відчувають там, призводить до вироблення певної речовини, яка впливає на напрямок росту рослини. До 1920-х років ботаніки дійшли зручного консенсусу, який розробив цю модель: що рослини мають датчики світла на своїх кінчиках і що вони виробляють гормони (пізніше ідентифіковані як ауксин), які сприяють більшому росту на їхніх затінених сторонах, викликаючи їхні стебла та листя нахилятися до світла.

Як і багато великих відкриттів, це відкриває нове питання: як саме рослини взагалі можуть відчувати світло? У них відсутні будь-які очевидні органи чуття. Дослідники почали підозрювати, що рослини повинні мати складні сенсорні здібності.

Молекулярні біологи взялися за це, показавши, що рослини можуть вимірювати та реагувати на набагато ширший спектр світла, ніж ми можемо за допомогою очей наших тварин, навіть незважаючи на відсутність у них спеціального органу для сприйняття. П’ять різних сімейств фоторецепторів, а також гормони та сигнальні шляхи працюють разом, щоб аж до клітинного рівня визначати напрямок, у якому рослина будує нову тканину, пояснюючи, як стебла скручуються, повертаються та піднімаються вгору за потреби. Ці фоторецептори поширені по всьому тілу рослин, але в основному зосереджені у внутрішній тканині стебла, сказав Крістіан Фанкхаузер, біолог рослин з університету Лозанни в Швейцарії та автор нового дослідження.

Однак самих простих датчиків недостатньо, щоб дати рослинам можливість визначати напрямок світла. Щоб найкраще визначити напрямок сильного освітлення, рослина повинна мати можливість порівнювати сигнали між різними фоторецепторами, щоб вони могли орієнтувати свій ріст у бік найінтенсивнішого світла. А для цього їм потрібне, щоб вхідне світло падало на їхні датчики в градієнті від найяскравішого до найтьмянішого.

Тварини вирішили цю проблему завдяки розвитку очей. Простий організм, такий як планарій, обходиться «очними плямами», які просто відчувають наявність або відсутність світла. У більш складних очей тварин, таких як наші власні, анатомічних особливостей, таких як кришталик направляти світло на сітківку, який оснащений фотодатчиками. Потім мозок порівнює кількість світла, що надходить через вигнуту лінзу, з кількістю світла, що реєструється на окремих клітинах. Ця система, яка поєднує фізичне маніпулювання світлом із молекулярними датчиками, дозволяє виявляти дрібнозернисті градієнти яскравості та тіні та розділяти їх на картинку, яку ми називаємо зором.

Але оскільки рослини не мають мозку, їм потрібна пасивна система, щоб прийти до тих самих висновків. Ось чому здатність рослин формувати фізичні градієнти є важливою: вони створюють властиві відмінності між клітинами, не вимагаючи від рослини активних порівнянь.

Таким чином, ботаніки зіткнулися з ребусом. Чи був фототропізм цілком молекулярним процесом, як деякі підозрювали, чи рослини могли змінювати світлові промені, щоб створити градієнт і краще спрямувати свою реакцію? Якщо останнє було правдою, то рослини повинні мати фізичні структури, які дозволяють їм фокусувати світло.

Нарешті ця структура була ідентифікована в мутантній версії придорожнього бур’яну, який намагався знайти світло.

Сліпий мутант

Тале крес — відомий науці як Arabidopsis thaliana — не є особливо привабливою рослиною. 25-сантиметровий бур’ян любить розбурхані землі, узлісся та узбіччя доріг. Походить з Африки та Євразії, зараз його можна знайти на всіх континентах, крім Антарктиди. Відтоді біологи рослин адаптували його до наукового способу життя: його короткий життєвий цикл, малий геном (повністю нанесено на карту в 2000 році) і схильність виробляти корисні мутації в лабораторії — усе це робить його чудовою моделлю організму для розуміння росту рослин і генетики.

Фанкхаузер працював з Арабідопсис з 1995 року вивчати, як світло впливає на ріст рослин. У 2016 році його лабораторія перевірила гени саджанців, щоб знайти рослини-мутанти з незвичайною реакцією на світло. Вони вирощували насіння в темній кімнаті з синім світлом, щоб направляти розсаду вбік. З цього моменту експеримент відбувався більш-менш так, як це робив Дарвін 150 років тому: коли дослідники змінювали напрямок світла, рослини переорієнтовувалися на нього.

Однак одна рослина-мутант зазнала труднощів. Хоча у нього не було проблем із відчуттям гравітації, він, здавалося, не міг відстежувати світло. Натомість він гнувся навсібіч, ніби сліпий і мацаючи в темряві.

Очевидно, щось пішло не так зі здатністю мутанта відчувати світло. Коли команда досліджувала рослину, вони виявили, що вона має типові фоторецептори, за словами рослинного біолога Мартіни Легріс, постдоктана в лабораторії Фанкхаузера та співавтора нової статті. Але коли команда подивилася на стебло під мікроскопом, вони помітили щось дивне.

Дика Арабідопсис, як і більшість рослин, має повітряні канали між клітинами. Ці структури схожі на вентиляційні шахти, сплетені навколо герметичних клітинних відділень, і, як відомо, вони відіграють важливу роль як у фотосинтезі, так і в насиченні клітин киснем. Але повітряні канали рослини-мутанта були залиті водою. Команда відстежила мутацію гена abcg5, який виробляє білок, який може сприяти водонепроникності клітинної стінки, щоб забезпечити водонепроникність повітряних шахт рослини.

Зацікавлені дослідники провели експеримент. Вони наповнили міжклітинні повітряні шахти немутантних рослин водою, щоб перевірити, чи впливає це на їхній ріст. Як і мутантам, цим рослинам було важко визначити, звідки надходить світло. «Ми бачимо, що ці рослини генетично нормальні», — сказав Легріс. «Єдине, чого їм не вистачає, це повітряні канали».

Дослідники дійшли висновку, що рослина орієнтується на світло за допомогою механізму, заснованого на явищі заломлення — тенденції світла змінювати напрямок, коли воно проходить через різні середовища. Через заломлення, пояснив Легріс, світло проходить через нормаль Арабідопсис розсіюється під поверхнею стебла: кожного разу, коли він рухається крізь клітину рослини, яка здебільшого складається з води, а потім через повітряний канал, він змінює напрямок. Оскільки частина світла перенаправляється в процесі, повітряні канали встановлюють крутий градієнт світла між різними клітинами, за допомогою якого рослина може оцінити напрямок світла, а потім рости до нього.

Навпаки, коли ці повітряні канали заповнені водою, розсіювання світла зменшується. Рослинні клітини заломлюють світло подібно до затопленого каналу, оскільки вони обидві містять воду. Замість того, щоб розсіюватися, світло проходить майже прямо через клітини та залиті канали глибше в тканини, зменшуючи градієнт світла та позбавляючи розсаду відмінностей в інтенсивності світла.

Бачити Світло

Дослідження показують, що ці повітряні канали відіграють вирішальну роль у допомозі молодим рослинам відстежувати світло. Роджер Ангартер, біолог рослин з Університету Індіани в Блумінгтоні, який не брав участі в новому дослідженні, привітав його за пошук розумного вирішення давньої проблеми. За його словами, Фанкхаузер, Легріс та їхні колеги «вдало забивають цвях у труну про важливість цих повітряних просторів».

Ідея виникала раніше, зазначив Хангартер. У 1984 році група дослідників з Йоркського університету припустила це повітряні канали між рослинними клітинами може допомогти встановити необхідний градієнт світла. Але оскільки команда не мала фінансування для проведення дорогих експериментів, їхня пропозиція залишилася неперевіреною.

«Нас завжди дивувало, як ці маленькі, крихітні — майже прозорі — [ембріональні рослини] можуть виявити градієнт», — сказав Хангартер. «Ми ніколи не дуже вірили в повітряно-космічний процес, тому що ми відволікалися на пошуки молекул, які були залучені. Ви стаєте на певний дослідницький шлях і отримуєте шори».

Механізм повітряного каналу поєднується з іншими геніальними пристроями, які рослини розробили, щоб контролювати, як світло рухається через них. Наприклад, дослідження Hangarter допомогло встановити, що хлоропласти — клітинні органели, які здійснюють фотосинтез — активно танцюють всередині клітин листя рухати світло. Хлоропласти можуть жадібно групуватися в центрі клітини, щоб поглинати слабке світло, або втекти на край, щоб дозволити більш сильному світлу пройти глибше в тканини рослини.

Наразі нові висновки про повітряні канали поширюються лише на розсаду. Хоча ці повітряні канали також з’являються у дорослих листках, де вони, як було показано, відіграють роль у розсіюванні та розподілі світла, ніхто ще не перевіряв, чи відіграють вони роль у фототропізмі, сказав Легріс.

Як довго повітряні канали відігравали цю роль, невідомо. Скам'янілості примітивних наземних рослин 400 мільйонів років тому не показують ані коренів, ані листя, але тканини серцевини рослин показують досить великі міжклітинні повітряні простори. Можливо, спочатку вони виникли для аерації тканин або газообміну, сказав Фанкхаузер, а потім були адаптовані до своєї ролі у фототропізмі. Або, можливо, рослини утворили повітряні простори в стеблах частково, щоб допомогти їм відчувати світло, а потім кооптували їх для виконання інших функцій.

«Подальше розуміння цих структур — як вони побудовані, який механізм стоїть за ними — цікаве для біологів рослин, крім питання про те, як рослини сприймають напрямок світла», — сказав Фанкхаузер.

За його словами, це також може допомогти вигнати привид Арістотеля, який все ще живе в уявленнях людей про рослини. «У багатьох людей є відчуття, що рослини дуже пасивні організми — вони нічого не можуть передбачити; вони просто роблять те, що з ними трапляється».

Але ця ідея базується на наших очікуваннях щодо того, як мають виглядати очі. Рослини, як виявилося, розвинули спосіб бачення всім своїм тілом, одне вплетене в проміжки між їхніми клітинами. Їм не потрібно нічого такого незграбного, як пара очей, щоб стежити за світлом.