Rośliny znajdują światło wykorzystując przerwy między komórkami | Magazyn Quanta

Na półce wyłożonej doniczkami z terakoty zioła wyginają łodygi w stronę najbliższego okna. Na polu złotych kwiatów liście wirują wraz ze ścieżką słońca. W pstrokatym lesie winorośl oplata drzewa, sięgając coraz wyżej i dalej od ciemności.

Od czasów starożytnych zdolność roślin do orientowania swoich pozbawionych oczu ciał w stronę najbliższego, najjaśniejszego źródła światła – znana dziś jako fototropizm – fascynuje uczonych i wywołuje niezliczone debaty naukowe i filozoficzne. W ciągu ostatnich 150 lat botanicy z powodzeniem odkryli wiele kluczowych szlaków molekularnych, które leżą u podstaw sposobu, w jaki rośliny wyczuwają światło i działają na podstawie tych informacji.

Jednak krytyczna tajemnica przetrwała. Zwierzęta wykorzystują oczy – złożony narząd składający się z soczewek i fotoreceptorów – do uzyskania szczegółowego obrazu otaczającego ich świata, w tym kierunku padania światła. Biolodzy ustalili, że rośliny dysponują potężnym zestawem narzędzi molekularnych do pomiaru oświetlenia. Ale w przypadku braku oczywistych fizycznych narządów zmysłów, takich jak soczewki, w jaki sposób rośliny określają dokładny kierunek, z którego dochodzi światło?

Teraz zespół europejskich badaczy znalazł odpowiedź. W niedawnym artykule opublikowane w naukadonoszą, że przydrożny chwast — Arabidopsis, ulubiony genetyk roślin — wykorzystuje przestrzenie powietrzne między komórkami do rozpraszania światła, modyfikując ścieżkę światła przechodzącego przez jego tkanki. W ten sposób kanały powietrzne tworzą gradient światła, który pomaga sadzonkom dokładnie określić, skąd pochodzi światło.

Wykorzystując kanały powietrzne do rozpraszania światła, rośliny rezygnują z konieczności posiadania odrębnych narządów, takich jak oczy, na rzecz bardziej schludnej sztuczki: zdolności „widzenia” całym ciałem.

Głęboko zakorzeniona debata

Dlaczego i jak rośliny orientują się w kierunku światła przedmiotem zaciekłej debaty przez ponad 2,000 lat. Wcześni filozofowie greccy argumentowali, że rośliny, podobnie jak zwierzęta, są zdolne do odczuwania i poruszania się, a nawet pragnień i inteligencji. Jednak późniejsi myśliciele, tacy jak Arystoteles, utrzymywali, że rośliny są z natury bierne, niezdolne do wyczuwania otoczenia, a tym bardziej do poruszania się wraz z nim. „Rośliny nie mają ani uczuć, ani pragnień” – napisał Na Roślinach. „Musimy odrzucić te poglądy jako nieuzasadnione”. Przez stulecia uczeni raczej się z nim zgadzali.

Dopiero w 1658 roku alchemik i filozof przyrody Thomas Browne uznał fototropizm za fakt, dokumentując, że sadzonki gorczycy rosnące w doniczkach w piwnicy uporczywie orientowały swój wzrost w stronę otwartego okna. Jednak przez ponad dwa stulecia biolodzy nadal spierali się, w jaki sposób rośliny to robią i czy reagują na światło słoneczne, czy na jego ciepło.

W 1880 roku Karol Darwin i jego syn Francis przeprowadzili eksperymenty mające na celu opisanie mechanizmu fototropowego, który ostatecznie został udowodniony. Jak opisano w Siła ruchu w roślinachpara wyhodowała sadzonki – rośliny, które nie mogły jeszcze przeprowadzić fotosyntezy i zamiast tego opierały się na energii zgromadzonej w nasionach – w ciemnym pokoju. Kiedy z określonego kierunku padało na nie niebieskie światło, rośliny sięgały w jego stronę. Następnie, gdy Darwinowie przesuwali światło po pomieszczeniu, śledzili odpowiadające im ruchy sadzonek.

Na podstawie swoich eksperymentów Darwinowie zasugerowali, że sadzonki są najbardziej wrażliwe na światło na końcu pędu i że to, co tam wyczują, prowadzi do wytworzenia jakiejś substancji, która wpływa na kierunek wzrostu rośliny. W latach dwudziestych botanicy osiągnęli wygodny konsensus, który rozwinął ten model: że rośliny mają na końcach czujniki światła i wytwarzają hormony (później zidentyfikowane jako auksyny), które pobudzają większy wzrost po ich zacienionych stronach, powodując, że ich łodygi i liście pochylić się w stronę światła.

Podobnie jak wiele wspaniałych odkryć, to również otworzyło nowe pytanie: w jaki sposób rośliny mogły w ogóle wyczuwać światło? Brakowało im żadnego widocznego narządu zmysłu. Naukowcy zaczęli podejrzewać, że rośliny muszą mieć wyrafinowane zdolności sensoryczne.

Biolodzy molekularni podjęli ten temat, pokazując, że rośliny potrafią mierzyć i reagować na znacznie szersze spektrum światła niż nasze zwierzęce oczy, mimo że brakuje im wyspecjalizowanego narządu percepcji. Pięć różnych rodzin fotoreceptorów, hormony i ścieżki sygnałowe współpracują, aby na poziomie komórkowym dyktować kierunek, w którym roślina buduje nową tkankę – wyjaśniając, w jaki sposób łodygi skręcają się, obracają i wystrzeliwują w górę w razie potrzeby. Te fotoreceptory są rozmieszczone w całym ciele rośliny, ale są głównie skoncentrowane w wewnętrznej tkance łodygi Christiana Fankhausera, biolog roślin na Uniwersytecie w Lozannie w Szwajcarii i autor nowego badania.

Jednak same proste czujniki nie wystarczą, aby zapewnić roślinom możliwość określenia kierunku światła. Aby najlepiej określić kierunek silnego oświetlenia, roślina musi być w stanie porównać sygnały między różnymi fotoreceptorami, aby móc skierować swój wzrost w stronę najbardziej intensywnego światła. W tym celu potrzebują przychodzącego światła, które pada na ich czujniki w gradiencie od najjaśniejszego do najciemniejszego.

Zwierzęta rozwiązały ten problem poprzez rozwój oczu. Prosty organizm, taki jak robak planarny, radzi sobie z „plamkami ocznymi”, które jedynie wyczuwają obecność lub brak światła. W bardziej złożonych oczach zwierząt, takich jak nasze, cechy anatomiczne, takie jak soczewka skierować światło w stronę siatkówki, który jest wypełniony fotosensorami. Następnie mózg porównuje ilość światła docierającego przez zakrzywioną soczewkę z ilością rejestrowaną w oddzielnych komórkach. System ten, łączący fizyczną manipulację światłem z czujnikami molekularnymi, pozwala na wykrywanie drobnoziarnistych gradientów jasności i cienia oraz ich odwzorowanie w obrazie, który nazywamy wzrokiem.

Ponieważ jednak rośliny nie mają mózgu, potrzebują systemu pasywnego, aby dojść do tych samych wniosków. Dlatego ważna jest zdolność roślin do tworzenia gradientów fizycznych: tworzą one nieodłączne rozróżnienia między komórkami, nie wymagając od rośliny dokonywania aktywnych porównań.

Dlatego botanicy stanęli przed zagadką. Czy fototropizm był całkowicie procesem molekularnym, jak niektórzy podejrzewali, czy też rośliny mogły zmieniać wiązki światła, tworząc gradient i lepiej kierując swoją reakcją? Jeśli to drugie byłoby prawdą, to rośliny muszą mieć struktury fizyczne, które pozwalają im skupiać światło.

Struktura ta została ostatecznie zidentyfikowana w zmutowanej wersji przydrożnego chwastu, który usiłował znaleźć światło.

Ślepy Mutant

Rzeżucha Thale — znana nauce jako Arabidopsis thaliana — nie jest rośliną szczególnie atrakcyjną. Chwast o wysokości 25 cm lubi naruszone tereny, krawędzie pól i pobocza dróg. Pochodzi z Afryki i Eurazji, obecnie występuje na każdym kontynencie z wyjątkiem Antarktydy. Od tego czasu biolodzy roślin przystosowali go do naukowego stylu życia: krótki cykl życiowy, mały genom (w całości zmapowany w 2000 roku) i tendencja do wytwarzania przydatnych mutacji w laboratorium sprawiają, że jest to doskonały organizm modelowy do zrozumienia wzrostu i genetyki roślin.

Fankhauser współpracował Arabidopsis od 1995 roku, aby zbadać, jak światło kształtuje wzrost roślin. W 2016 roku jego laboratorium przeprowadziło badania przesiewowe genów sadzonek, aby znaleźć zmutowane rośliny o nietypowych reakcjach na światło. Wyhodowali nasiona w ciemnym pomieszczeniu z niebieskim światłem, które kierowało sadzonki na boki. Od tego momentu eksperyment przebiegał mniej więcej tak, jak eksperyment Darwinów 150 lat temu: gdy badacze zmienili kierunek światła, rośliny ponownie się w nim zorientowały.

Jednak jedna zmutowana roślina miała problemy. Chociaż nie miał problemu z wyczuwaniem grawitacji, wydawało się, że nie jest w stanie śledzić światła. Zamiast tego wyginał się we wszystkich kierunkach, jakby był ślepy i poruszał się w ciemności.

Najwyraźniej coś poszło nie tak ze zdolnością mutanta do wyczuwania światła. Według biologa roślin Martiny Legris, stażystki w laboratorium Fankhausera i współautorki nowego artykułu, zespół zbadał roślinę i odkrył, że ma ona typowe fotoreceptory. Kiedy jednak zespół spojrzał na łodygę pod mikroskopem, zauważył coś dziwnego.

Dzika Arabidopsisjak większość roślin, ma kanały powietrzne między komórkami. Struktury te przypominają szyby wentylacyjne splecione wokół zamkniętych przedziałów komórkowych i wiadomo, że odgrywają ważną rolę zarówno w procesie fotosyntezy, jak i dotlenianiu komórek. Ale kanały powietrzne zmutowanej rośliny zostały zalane wodą. Zespół wyśledził mutację w genie abcg5, który wytwarza białko, które może pomóc w uszczelnieniu ściany komórkowej, zapewniając wodoszczelność szybów powietrznych rośliny.

Zaintrygowani badacze przeprowadzili eksperyment. Wypełnili międzykomórkowe szyby powietrzne niezmutowanych roślin wodą, aby sprawdzić, czy wpływa to na ich wzrost. Podobnie jak mutanty, rośliny te miały trudności z określeniem, skąd pochodzi światło. „Widzimy, że te rośliny są genetycznie normalne” – powiedział Legris. „Jedyne, czego im brakuje, to kanałów powietrznych”.

Naukowcy wywnioskowali, że roślina orientuje się na światło poprzez mechanizm oparty na zjawisku załamania światła – tendencji światła do zmiany kierunku podczas przechodzenia przez różne ośrodki. Z powodu załamania, wyjaśnił Legris, światło przechodzi przez normalną Arabidopsis rozproszy się pod powierzchnią łodygi: za każdym razem, gdy przechodzi przez komórkę roślinną, która składa się głównie z wody, a następnie przez kanał powietrzny, zmienia kierunek. Ponieważ część światła jest w tym procesie przekierowywana, kanały powietrzne tworzą stromy gradient światła w różnych komórkach, który roślina może wykorzystać do oceny kierunku światła, a następnie rosnąć w jego stronę.

Natomiast gdy te kanały powietrzne zostaną wypełnione wodą, rozpraszanie światła ulega zmniejszeniu. Komórki roślinne załamują światło w podobny sposób jak zalany kanał, ponieważ oba zawierają wodę. Zamiast się rozpraszać, światło przechodzi niemal prosto przez komórki i zalane kanały w głąb tkanki, zmniejszając gradient światła i pozbawiając sadzonkę różnic w natężeniu światła.

Widząc światło

Badania sugerują, że te kanały powietrzne odgrywają kluczową rolę, pomagając młodym roślinom śledzić światło. Rogera Hangartera, biolog roślin z Indiana University Bloomington, który nie był zaangażowany w nowe badanie, pochwalił je za znalezienie sprytnego rozwiązania długotrwałego problemu. Fankhauser, Legris i ich współpracownicy „całkiem trafnie wbili gwóźdź do trumny w kwestii znaczenia tych przestrzeni powietrznych” – stwierdził.

Pomysł pojawił się już wcześniej, zauważył Hangarter. W 1984 roku zasugerował to zespół badaczy z Uniwersytetu w Yorku kanały powietrzne między komórkami roślinnymi może pomóc w ustaleniu niezbędnego gradientu światła. Ponieważ jednak zespół nie miał środków na przeprowadzenie kosztownych eksperymentów, ich sugestia nie została przetestowana.

„Zawsze było dla nas zaskakujące, jak te małe, maleńkie – prawie przezroczyste – [rośliny embrionalne] potrafią wykryć gradient” – powiedział Hangarter. „Nigdy tak naprawdę nie wierzyliśmy zbytnio w sprawę przestrzeni powietrznej, ponieważ byliśmy rozproszeni, szukając zaangażowanych cząsteczek. Wkraczasz na określoną ścieżkę badawczą i zatykasz oczy.”

Mechanizm kanałów powietrznych łączy w sobie inne genialne urządzenia, które wyewoluowały rośliny, aby kontrolować przepływ światła przez nie. Na przykład badania Hangartera pomogły ustalić, że chloroplasty — organelle komórkowe przeprowadzające fotosyntezę — aktywnie tańczą wewnątrz komórek liści aby poruszyć światło. Chloroplasty mogą łapczywie skupiać się w środku komórki, aby wchłonąć słabe światło lub uciekać na brzegi, aby silniejsze światło mogło przedostać się głębiej do tkanek roślinnych.

Na razie nowe odkrycia dotyczące kanałów powietrznych dotyczą wyłącznie sadzonek. Chociaż te kanały powietrzne pojawiają się również w dorosłych liściach, gdzie wykazano, że odgrywają rolę w rozpraszaniu i dystrybucji światła, nikt jeszcze nie zbadał, czy odgrywają one rolę w fototropizmie, powiedział Legris.

Nie jest jasne, jak długo kanały powietrzne odgrywają tę rolę. Prymitywne skamieniałości roślin lądowych sprzed 400 milionów lat nie wykazują ani korzeni, ani liści – ale widoczne są tkanki rdzenia roślin dość duże międzykomórkowe przestrzenie powietrzne. Być może powstały początkowo w celu napowietrzania tkanek lub wymiany gazowej, powiedział Fankhauser, a następnie zostały przystosowane do swojej roli w fototropizmie. A może rośliny wyewoluowały przestrzenie powietrzne w łodygach, częściowo po to, aby pomóc im wyczuwać światło, a następnie zaadoptowały je do pełnienia innych funkcji.

„Dalsze zrozumienie tych struktur – tego, jak są zbudowane i jaki mechanizm za nimi stoi – jest interesujące dla biologów roślin poza kwestią tego, w jaki sposób rośliny wyczuwają kierunek światła” – powiedział Fankhauser.

Może także pomóc w wypędzeniu ducha Arystotelesa, który wciąż unosi się w ludzkim postrzeganiu roślin – dodał. „Wiele osób ma poczucie, że rośliny to organizmy bardzo pasywne – nie są w stanie niczego przewidzieć; po prostu robią to, co im się przydarza”.

Ale ta koncepcja opiera się na naszych oczekiwaniach co do tego, jak powinny wyglądać oczy. Okazuje się, że rośliny wyewoluowały sposób widzenia całymi ciałami, wpleciony w szczeliny między komórkami. Nie potrzebują czegoś tak niezdarnego jak para oczu, aby podążać za światłem.