Planter finder lys ved hjælp af huller mellem deres celler | Quanta Magasinet

På en hylde beklædt med terracotta potter bøjer urter deres stilke mod det nærmeste vindue. I en mark med gyldne vilde blomster roterer blade med solens vej. I en plettet skov snor vinstokke træer og rækker altid opad og væk fra mørket.

Siden oldtiden har planters evne til at orientere deres øjenløse kroppe mod den nærmeste, klareste lyskilde - kendt i dag som fototropisme - fascineret forskere og genereret utallige videnskabelige og filosofiske debatter. Og i løbet af de sidste 150 år har botanikere med succes afsløret mange af de vigtigste molekylære veje, der understøtter, hvordan planter sanser lys og handler på denne information.

Alligevel har et kritisk mysterium bestået. Dyr bruger øjne - et komplekst organ af linser og fotoreceptorer - til at få et detaljeret billede af verden omkring dem, inklusive lysets retning. Planter, har biologer fastslået, besidder en kraftfuld pakke af molekylære værktøjer til måling af belysning. Men i mangel af indlysende fysiske sanseorganer som linser, hvordan regner planter så ud af den præcise retning, hvorfra lyset kommer?

Nu har et hold europæiske forskere fundet et svar. I en nylig avis offentliggjort i Videnskab, rapporterer de, at en vejkanten ukrudt - Arabidopsis, en favorit blandt plantegenetikere - bruger luftrummene mellem dets celler til at sprede lys og ændrer lysets vej gennem dets væv. På denne måde skaber luftkanalerne en lysgradient, der hjælper frøplanter med præcist at bestemme, hvor lyset kommer fra.

Ved at drage fordel af luftkanaler til at sprede lys, omgår planter behovet for diskrete organer som øjne til fordel for et pænere trick: evnen til faktisk at "se" med hele deres krop.

En dybt rodfæstet debat

Hvorfor og hvordan planter orienterer sig mod lys har været genstand for heftig debat i godt 2,000 år. Tidlige græske filosoffer hævdede, at planter, ligesom dyr, var i stand til sansning og bevægelse, og endda begær og intelligens. Men senere tænkere som Aristoteles hævdede, at planter var medfødt passive, ude af stand til at sanse deres omgivelser, meget mindre bevæge sig med det. "Planter har hverken sansning eller lyst," skrev han i På Planter. "Disse synspunkter må vi afvise som usunde." I århundreder var forskere tilbøjelige til at være enige med ham.

Det var først i 1658, at alkymisten og naturfilosoffen Thomas Browne etablerede fototropisme som et faktum ved at dokumentere, at sennepsfrøplanter, der voksede i potter i en kælder, vedvarende orienterede deres vækst mod et åbent vindue. Men i mere end to århundreder derefter fortsatte biologer med at skændes om, hvordan planterne gjorde det, og om de reagerede på solens lys eller dens varme.

I 1880 ledede Charles Darwin og hans søn Francis eksperimenter for at beskrive en fototropisk mekanisme, som i sidste ende blev bevist. Som beskrevet i Bevægelsens kraft i planter, parret dyrkede frøplanter - planter, der endnu ikke kunne udføre fotosyntese, i stedet afhængige af lagret energi fra deres frø - i et mørkt rum. Når blåt lys skinnede på dem fra en bestemt retning, nåede planterne mod det. Så, da Darwins flyttede lyset rundt i rummet, sporede de frøplanternes tilsvarende bevægelser.

Baseret på deres eksperimenter foreslog Darwins, at frøplanter var mest lysfølsomme i spidsen af ​​skuddet, og at det, de fornemmede dér, førte til produktionen af ​​et eller andet stof, der påvirkede plantens vækstretning. I 1920'erne havde botanikere slået sig fast på en behagelig konsensus, der uddybede denne model: at planter havde lyssensorer på deres spidser, og at de producerede hormoner (senere identificeret som auxin), der tilskyndede til mere vækst på deres skyggefulde sider, hvilket forårsagede deres stilke og blade at bøje sig mod lyset.

Som mange store opdagelser åbnede denne et nyt spørgsmål: Hvordan præcist kunne planter fornemme lys i første omgang? De manglede noget åbenlyst sanseorgan. Forskere begyndte at mistænke, at planter må have sofistikerede sensoriske evner.

Molekylærbiologer tog anklagen op og viste, at planter kan måle og reagere på et langt bredere lysspektrum, end vi kan med vores dyreøjne, selvom de mangler et specialiseret organ til perception. Fem forskellige familier af fotoreceptorer, plus hormoner og signalveje, arbejder sammen for at diktere ned til cellulært niveau, i hvilken retning en plante bygger nyt væv - og forklarer, hvordan stængler drejer, drejer og skyder opad efter behov. Disse fotoreceptorer er spredt over hele plantelegemerne, men er stort set koncentreret i det indre væv af stilken, sagde Christian Fankhauser, plantebiolog ved universitetet i Lausanne i Schweiz og forfatter til det nye studie.

Simple sensorer er dog ikke nok alene til at give planter mulighed for at bestemme lysets retning. For bedst at udpege retningen af ​​stærk belysning, skal en plante være i stand til at sammenligne signaler mellem forskellige fotoreceptorer, så de kan orientere deres vækst mod det mest intense lys. Og til det har de brug for, at indkommende lys falder ned på deres sensorer i en gradient fra lysest til svagest.

Dyr har løst dette problem gennem udvikling af øjne. En simpel organisme, såsom en planorm, klarer sig med "øjenpletter", der blot fornemmer tilstedeværelsen eller fraværet af lys. I mere komplekse dyreøjne som vores egne, anatomiske træk som linsen direkte lys mod nethinden, som er spækket med fotosensorer. Hjernen sammenligner derefter mængden af ​​lys, der kommer gennem den buede linse, med mængden, der registreres på separate celler. Dette system, som kombinerer fysisk manipulation af lys med molekylære sensorer, giver mulighed for detektering af finkornede gradienter af lysstyrke og skygge og dets opløsning ind i det billede, vi kalder syn.

Men da planter ikke har nogen hjerne, har de brug for et passivt system for at nå frem til de samme konklusioner. Det er derfor, planters evne til at danne fysiske gradienter er vigtig: De skaber iboende skel mellem celler uden at kræve, at planten foretager aktive sammenligninger.

Således stod botanikere over for en gåde. Var fototropisme udelukkende en molekylær proces, som nogle havde mistanke om, eller kunne planter ændre lysstråler for at skabe en gradient og bedre styre deres reaktion? Hvis det sidste var sandt, så skal planter have fysiske strukturer, der tillader dem at fokusere lys.

Den struktur ville endelig blive identificeret i en mutantversion af en vejkant, der kæmpede for at finde lyset.

Den blinde mutant

Thale karse - kendt af videnskaben som Arabidopsis thaliana — er ikke en særlig attraktiv plante. Det 25 centimeter høje ukrudt er glad for forstyrret land, markkanter og veje. Den er hjemmehørende i Afrika og Eurasien og findes nu på alle kontinenter undtagen Antarktis. Plantebiologer har siden tilpasset den til en videnskabelig livsstil: Dens korte livscyklus, lille genom (fuldt kortlagt i 2000) og tendens til at producere nyttige mutationer i laboratoriet gør det til en fremragende modelorganisme til at forstå plantevækst og genetik.

Fankhauser har arbejdet med Arabidopsis siden 1995 for at studere, hvordan lys former plantevækst. I 2016 screenede hans laboratorium generne fra frøplanter for at finde mutante planter med usædvanlige reaktioner på lys. De dyrkede frøene i et mørkt rum med blåt lys for at lede frøplanterne sidelæns. Derfra forløb eksperimentet mere eller mindre, som Darwins gjorde for 150 år siden: Da forskerne ændrede lysets retning, omorienterede planterne sig til det.

En mutant plante kæmpede dog. Selvom den ikke havde noget problem med at fornemme tyngdekraften, så den ud til at være ude af stand til at spore lys. I stedet bøjede den sig i alle retninger, som om den var blind og følte sig rundt i mørket.

Noget var tilsyneladende gået galt med mutantens evne til at fornemme lys. Da holdet undersøgte planten, fandt de ud af, at den havde de typiske fotoreceptorer, ifølge plantebiologen Martina Legris, en postdoc i Fankhausers laboratorium og medforfatter på det nye papir. Men da holdet kiggede på stilken under mikroskopet, lagde de mærke til noget mærkeligt.

Det vilde Arabidopsis, som de fleste planter, har luftkanaler mellem sine celler. Disse strukturer er som ventilationsskakter vævet omkring de forseglede cellulære rum, og de er kendt for at spille vigtige roller både i fotosyntese og i iltende celler. Men mutantplantens luftkanaler blev oversvømmet med vand. Holdet sporede mutationen til genet abcg5, som producerer et protein, der kan hjælpe med at vandtætte cellevæggen for at sikre, at plantens luftskakter er vandtætte.

Spændte forsøgte forskerne et eksperiment. De fyldte de intercellulære luftskafter af ikke-mutante planter med vand for at se, om dette påvirkede deres vækst. Ligesom mutanterne havde disse planter svært ved at bestemme, hvor lyset kom fra. "Vi kan se, at disse planter er genetisk normale," sagde Legris. "De eneste ting, de mangler, er disse luftkanaler."

Forskerne udledte, at planten orienterer sig mod lys gennem en mekanisme baseret på fænomenet brydning - lysets tendens til at ændre retning, når det passerer gennem forskellige medier. På grund af brydning, forklarede Legris, lys passerer gennem en normal Arabidopsis vil sprede sig under stilkens overflade: Hver gang den bevæger sig gennem en plantecelle, som for det meste er vand, og derefter gennem en luftkanal, ændrer den retning. Da noget af lyset omdirigeres i processen, etablerer luftkanalerne en stejl lysgradient på tværs af forskellige celler, som planten kan bruge til at vurdere lysets retning og derefter vokse mod det.

I modsætning hertil, når disse luftkanaler er fyldt med vand, reduceres spredningen af ​​lys. Planteceller bryder lys på samme måde som en oversvømmet kanal, da de begge indeholder vand. I stedet for at sprede lyset passerer lyset næsten lige gennem cellerne og de oversvømmede kanaler til dybere inde i vævet, hvilket mindsker lysgradienten og fratager frøplanten forskelle i lysintensitet.

At se lyset

Forskningen tyder på, at disse luftkanaler spiller en afgørende rolle i at hjælpe unge planter med at spore lys. Roger Hangarter, en plantebiolog ved Indiana University Bloomington, som ikke var involveret i den nye undersøgelse, hyldede den for at finde en smart løsning på et langvarigt problem. Fankhauser, Legris og deres kolleger "satte ret godt sømmet i kisten på vigtigheden af ​​disse luftrum," sagde han.

Ideen er opstået før, bemærkede Hangarter. I 1984 foreslog et hold forskere ved University of York det luftkanaler mellem planteceller kan hjælpe med at etablere den nødvendige lysgradient. Men da holdet ikke havde midlerne til at udføre dyre eksperimenter, blev deres forslag uafprøvet.

"Det var altid forvirrende for os, hvordan disse små, bittesmå - næsten gennemsigtige - [embryonale planter] kunne opdage en gradient," sagde Hangarter. "Vi gav aldrig rigtig meget tiltro til luft-rum-tinget, fordi vi var distraheret og ledte efter molekyler, der var involveret. Man kommer på en bestemt forskningsvej, og man får skyklapper på.”

Luftkanalmekanismen slutter sig til andre geniale enheder, som planter har udviklet for at kontrollere, hvordan lys bevæger sig gennem dem. For eksempel hjalp forskning fra Hangarter med at fastslå, at kloroplaster - de cellulære organeller, der udfører fotosyntese - danser aktivt inde i bladceller at flytte lys rundt. Kloroplaster kan klynge sig grådigt i midten af ​​cellen for at opsuge svagt lys eller flygte til kanten for at lade stærkere lys passere dybere ind i plantevæv.

Indtil videre strækker de nye resultater om luftkanaler sig kun til frøplanter. Mens disse luftkanaler også optræder i voksne blade, hvor de har vist sig at spille en rolle i lysspredning og fordeling, har ingen endnu testet, om de spiller en rolle i fototropisme, sagde Legris.

Hvor længe luftkanaler har spillet denne rolle er uklart. Primitive landplantefossiler fra 400 millioner år siden viser hverken rødder eller blade - men planternes kernevæv viser ret store intercellulære luftrum. Måske opstod de oprindeligt til vævsluftning eller gasudveksling, sagde Fankhauser, og blev derefter tilpasset deres rolle i fototropisme. Eller måske har planter udviklet luftrum i stængler til dels for at hjælpe dem med at fornemme lys, og så har de valgt dem til at udføre andre funktioner.

"Yderligere forståelse af disse strukturer - hvordan de er bygget, hvad er mekanismen bag dem - er interessant for plantebiologer ud over spørgsmålet om, hvordan planter fornemmer lysets retning," sagde Fankhauser.

Det kunne også hjælpe med at uddrive Aristoteles' spøgelse, som stadig dvæler i folks opfattelse af planter, sagde han. ”Mange mennesker har fornemmelsen af, at planter er meget passive organismer — de kan ikke forudse noget; de gør bare, hvad der sker med dem."

Men den idé er baseret på vores forventninger til, hvordan øjne skal se ud. Planter, viser det sig, har udviklet en måde at se på med hele deres kroppe, en vævet ind i hullerne mellem deres celler. De behøver ikke noget så klodset som et par øjne for at følge lyset.