Раскрыт секрет геометрии растений: как растения задают углы своих ветвей

В то время как другие основные особенности, управляющие архитектурой растений, такие как контроль количества ветвей и расположение вокруг главного побега, теперь хорошо изучены, ученые долго ломали голову над тем, как растения устанавливают и поддерживают угол своих боковых ветвей относительно силы тяжести.Этот механизм является фундаментальным для понимания формы растений вокруг нас: он объясняет, как, например, молодой тополь Ломбардии направляет свои ветви близко к вертикали, в то время как саженец дуба более плоский.Доктор Стефан Кепински, старший преподаватель факультета биологических наук Университета Лидса и ведущий автор статьи в журнале Current Biology, раскрывающей тайну, сказал: «Мы начали работать над этим после того, как поезд доехал до Лидса. Выглянув в окно, я был поражен тем фактом, что то, как мы узнаем деревья и другие виды растений на расстоянии, во многом зависит от угла, под которым растут их ветви.

«Эти характерные углы повсюду вокруг нас, и то же самое происходит под землей; разные разновидности внутри видов часто имеют очень отличную архитектуру корневой системы, которая определяется главным образом углом роста боковых корней», — сказал Кепински.Кажущаяся простая загадка того, как растение устанавливает и поддерживает эти углы в своей архитектуре, осложняется тем фактом, что угол между корневыми и побочными ветвями обычно устанавливается не относительно основного корня или стебля, из которого они растут, а относительно силы тяжести. Если положить растение на бок, эти ветви начнут фазу изгибающегося роста, известную как гравитропизм, которая переориентирует их обратно к исходному углу роста относительно силы тяжести.

В случае основного корня или стебля, который растет вертикально, механизм хорошо понят: чувствительные к гравитации клетки, называемые статоцитами, обнаруживают, что растение было наклонено, что вызывает усиление движения регулирующего рост гормона, называемого ауксином, к нижнему краю. сбоку от побега или корня и стимулирует рост побега вверх и рост корня вниз. При повторном вертикальном росте статоциты перестают посылать больше ауксина в одну сторону, чем в другую, и рост изгиба прекращается.Загадка для исследователей заключалась в том, что многие углы в архитектуре ветвей и корня расположены под углом к ​​силе тяжести, а не полностью вертикальны. Ученые не понимали, как растения могут устанавливать, относительно силы тяжести, особый невертикальный угол роста своих ветвей, известный как «угол гравитропической уставки», который определяет их архитектуру.

Доктор Кепински сказал: «Мы обнаружили, что другой компонент роста -« антигравитропное смещение »- противодействует нормальному гравитропному росту в этих боковых ветвях. Этот механизм смещения поддерживает рост по другую сторону ветки от чувствительных к гравитации рост и предотвращает перемещение ветки за пределы заданного угла к вертикали. Оказывается, этот компенсирующий рост также вызывается ауксином, тем же гормоном, который вызывает рост на нижней стороне ветви под действием силы тяжести ».

Ветви, которые растут близко к вертикали, имеют слабое антигравитропное смещение, тогда как в ветвях, которые растут под небольшими углами от вертикали, антигравитропное смещение относительно велико.Доктор Кепински добавил: «Вы можете сравнить это с тем, как управляется танк или гребной пароход. Если вы хотите двигаться в одном направлении, вы ускоряете гусеницу или гребите на другой стороне.

Если вы хотите выпрямиться, вы балансируете скорости — или в нашем случае «скорость» роста по обе стороны от ветви. В данной невертикальной ветви антигравитропное смещение является постоянным, в то время как рост, реагирующий на гравитацию, увеличивается по величине в зависимости от того, насколько далеко ветвь находится от вертикали, создавая надежную систему для поддержания целого ряда углов ответвления ".

Команда из Лидса доказала наличие смещения с помощью клиностата, который медленно вращает растение, растущее на его стороне, тем самым убирая стабильную опорную силу тяжести и позволяя исследователям контролировать механизм антигравитропного смещения, работающий без сопротивления скоординированной гравитропной реакции. В этих условиях они наблюдали, что побеги и корневые ветви демонстрируют рост, изгибающийся наружу, в сторону от основного корня и побега, который обычно маскируется взаимодействием с чувствительным к гравитации ростом.Доктор Кепински сказал: «Угол роста ветвей является исключительно важной адаптацией, потому что он определяет способность растения захватывать ресурсы над и под землей.

В зависимости от того, в какой почве находится растение, может быть полезно добывать питательные вещества. в верхнем слое почвы или глубже. Точно так же на побеге растение может получить преимущество, имея более крутые ветви, чтобы избежать затенения от соседних растений. гравитации, как эта, были установлены и поддерживаются ".Он добавил: «Эти идеи важны для селекционных и биотехнологических подходов к улучшению урожая, потому что селекционеры и семеноводческие компании хотят иметь возможность изменять архитектуру растений для оптимизации урожайности сельскохозяйственных культур.

Например, было показано, что угол бокового роста корней имеет решающее значение для увеличение поглощения питательных веществ как широколиственными, так и зерновыми культурами. Наши результаты предоставляют инструменты и подходы, которые помогут решить эти проблемы улучшения урожая ».

Команда использовала в своих экспериментах цветущее растение Arabidopsis thaliana (кресс-салат), а также растения гороха, фасоли и риса, наблюдая те же результаты.Кепински ожидает, что тот же механизм будет наблюдаться у более крупных растений и молодых саженцев деревьев.

У старых деревьев механизмы роста древесных тканей, чувствительных к гравитации, отличаются от механизмов недревесных растений. Тем не менее, Кепински говорит, что могут применяться те же общие принципы.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.