Открытие того, что именно внешний слой корня определяет его форму и механические свойства, открывает новые перспективы для адаптации сельскохозяйственных культур к сложным почвенным условиям.

Как растения приспосабливаются к окружающей среде

Скручивание стеблей и корней — распространённая стратегия выживания у растений. Например, виноградные лозы обвивают опоры, усы огурцов цепляются за предметы, а корни некоторых растений закручиваются, чтобы проникать в почву и обходить препятствия, такие как камни.

Генетические основы скручивания

Учёные давно установили, что спиральный рост связан с мутациями в генах, влияющих на микротрубочки клеток растений. Часто причиной становятся так называемые «нуль-мутации», при которых из-за отсутствия определённого белка возникают различные проблемы, однако скручивающийся рост остаётся распространённой эволюционной адаптацией.

Новое исследование: роль эпидермиса

Американские биологи подробно изучили процесс скручивания у растений и выяснили, что для этого не требуется полная нуль-мутация во всём растении — достаточно изменения экспрессии гена только в эпидермисе, то есть во внешнем слое корня. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Клетки растений плотно соединены друг с другом и окружены жёсткой клеточной стенкой. Слои корня, начиная изнутри, располагаются следующим образом: стела, эндодерма, кортикальный слой, эпидермис. Ранее предполагалось, что скручивание связано с внутренним корковым слоем, где мутация делает клетки короткими и широкими вместо длинных и тонких.

Эксперименты с модельными растениями

Исследователи попытались восстановить прямой рост корней, экспрессируя нормальный ген в разных слоях корня у растения Arabidopsis thaliana, чей геном полностью расшифрован. Неожиданно выяснилось, что экспрессия гена во внутренних слоях не выпрямляла корень — он оставался скрученным, как у нуль-мутанта. Однако когда нормальный ген работал только в эпидермисе, корни выпрямлялись. Это показало, что именно внешний слой диктует форму корня.

Механобиологический анализ

К исследованию подключились механобиологи, которые измерили ориентацию целлюлозных микрофибрилл в нормальных и мутантных корнях, выявили различия в отложении целлюлозы и создали компьютерную модель процессов в растении.

Как объяснил один из авторов, Гай Генин, при наличии концентрических слоёв клеток, как годичные кольца в дереве, именно внешний слой оказывает наибольшее влияние на всю структуру. Модель показала, что если только клетки эпидермиса имеют изменённую форму, это может объяснить до трети общего скручивания растения, а выпрямление клеток в эпидермисе выпрямляет весь корень. Таким образом, внешний слой играет решающую роль.

Практическое значение открытия

Модель подтвердила экспериментальные данные: экспрессия нормального гена только в эпидермисе влияет даже на внутренние мутантные клетки, делая их длиннее и тоньше, почти как в норме. Эпидермис оказался не просто пассивной оболочкой, а активным механическим координатором роста всего органа. Внешний слой корня доминирует в его скручивании благодаря тем же физическим законам, по которым полые трубки могут быть почти такими же прочными, как и сплошные стержни.

Теперь, когда учёные понимают, как растения закручивают свои корни, эти знания можно использовать для решения задач сельского хозяйства. Понимание того, как корни перемещаются в почве, поможет адаптировать растения к изменяющемуся климату и развивать сельское хозяйство в регионах с плотными и каменистыми почвами.