Plantele găsesc lumină folosind golurile dintre celulele lor | Revista Quanta

Pe un raft căptușit cu vase de teracotă, ierburile își îndoaie tulpinile spre cea mai apropiată fereastră. Într-un câmp de flori sălbatice aurii, frunzele se rotesc odată cu calea soarelui. Într-o pădure pătată, vița de vie se împletește în copaci, ajungând mereu în sus și departe de întuneric.

Din cele mai vechi timpuri, capacitatea plantelor de a-și orienta corpurile fără ochi către cea mai apropiată și mai strălucitoare sursă de lumină - cunoscută astăzi sub numele de fototropism - a fascinat oamenii de știință și a generat nenumărate dezbateri științifice și filozofice. Și în ultimii 150 de ani, botaniștii au dezvăluit cu succes multe dintre căile moleculare cheie care stau la baza modului în care plantele simt lumina și acționează pe baza acestor informații.

Cu toate acestea, un mister critic a rezistat. Animalele folosesc ochii – un organ complex de lentile și fotoreceptori – pentru a obține o imagine detaliată a lumii din jurul lor, inclusiv direcția luminii. Biologii au stabilit că plantele posedă o suită puternică de instrumente moleculare pentru măsurarea iluminării. Dar în absența unor organe fizice evidente, cum ar fi lentilele, cum calculează plantele direcția exactă din care vine lumina?

Acum, o echipă de cercetători europeni a găsit un răspuns. Într-o lucrare recentă publicat în Ştiinţă, ei raportează că o buruiană de pe marginea drumului - Arabidopsis, un favorit al geneticienilor de plante - folosește spațiile de aer dintre celulele sale pentru a împrăștia lumina, modificând calea luminii care trece prin țesuturile sale. În acest fel, canalele de aer creează un gradient de lumină care ajută răsadurile să determine cu exactitate de unde vine lumina.

Profitând de canalele de aer pentru a împrăștia lumina, plantele ocolesc nevoia de organe discrete, cum ar fi ochii, în favoarea unui truc mai ordonat: capacitatea de a „vedea” cu întregul lor corp.

O dezbatere adâncă

De ce și cum plantele se orientează spre lumină a fost subiect de acerbă dezbatere de peste 2,000 de ani. Filosofii greci timpurii au susținut că plantele, ca și animalele, erau capabile de senzație și mișcare și chiar de dorință și inteligență. Dar gânditori de mai târziu, precum Aristotel, au afirmat că plantele erau pasive în mod înnăscut, incapabile să-și simtă mediul, cu atât mai puțin să se miște cu el. „Plantele nu au nici senzație, nici dorință”, a scris el Pe Plante. „Trebuie să respingem aceste opinii ca fiind nefondate.” Timp de secole, savanții au avut tendința să fie de acord cu el.

Abia în 1658, alchimistul și filozoful natural Thomas Browne a stabilit fototropismul ca un fapt, documentând că răsadurile de muștar care creșteau în ghivece într-un subsol și-au orientat constant creșterea către o fereastră deschisă. Dar timp de mai bine de două secole după aceea, biologii au continuat să discute despre cum au făcut-o plantele și dacă au răspuns la lumina soarelui sau la căldura acestuia.

În 1880, Charles Darwin și fiul său Francis au condus experimente pentru a descrie un mecanism fototropic care a fost dovedit în cele din urmă. După cum este descris în Puterea mișcării în plante, perechea a crescut răsaduri - plante care nu puteau încă efectua fotosinteza, bazându-se în schimb pe energia stocată din sămânța lor - într-o cameră întunecată. Când lumina albastră a strălucit asupra lor dintr-o direcție specifică, plantele au ajuns spre ea. Apoi, în timp ce darwinii au mutat lumina prin cameră, au urmărit mișcările corespunzătoare ale răsadurilor.

Pe baza experimentelor lor, darwinii au sugerat că răsadurile sunt cele mai sensibile la lumină la vârful lăstarilor și că ceea ce au simțit acolo a dus la producerea unei substanțe care influențează direcția de creștere a plantei. Până în anii 1920, botaniștii s-au stabilit pe un consens confortabil care a elaborat pe baza acelui model: că plantele aveau senzori de lumină la vârfuri și că produc hormoni (identificați mai târziu ca auxină) care încurajează o creștere mai mare pe părțile lor umbrite, provocându-le tulpinile și frunzele. a se apleca spre lumină.

La fel ca multe descoperiri grozave, aceasta a deschis o nouă întrebare: cum anume ar putea plantele să simtă lumina în primul rând? Le lipsea orice organ de simț evident. Cercetătorii au început să bănuiască că plantele trebuie să aibă capacități senzoriale sofisticate.

Biologii moleculari au preluat sarcina, arătând că plantele pot măsura și reacționa la un spectru mult mai larg de lumină decât putem noi cu ochii noștri de animale, chiar dacă le lipsește un organ specializat pentru percepție. Cinci familii diferite de fotoreceptori, plus hormoni și căi de semnal, lucrează împreună pentru a dicta până la nivel celular direcția în care o plantă construiește țesut nou - explicând modul în care tulpinile se răsucesc, se rotesc și se împușc în sus, după cum este necesar. Acești fotoreceptori sunt răspândiți în corpurile plantei, dar sunt concentrați în mare parte în țesutul interior al tulpinii, a spus Christian Fankhauser, un biolog de plante la Universitatea din Lausanne din Elveția și un autor al noului studiu.

Cu toate acestea, senzorii simpli nu sunt suficienți singuri pentru a oferi plantelor capacitatea de a determina direcția luminii. Pentru a identifica cel mai bine direcția de iluminare puternică, o plantă trebuie să fie capabilă să compare semnalele între diferiți fotoreceptori, astfel încât să își poată orienta creșterea către cea mai intensă lumină. Și pentru asta au nevoie de lumină care să cadă pe senzorii lor într-un gradient de la cel mai strălucitor la cel mai slab.

Animalele au rezolvat această problemă prin dezvoltarea ochilor. Un organism simplu, cum ar fi un vierme planarian, se descurcă cu „petele oculare” care simt doar prezența sau absența luminii. În ochii animalelor mai complexi, cum ar fi ai noștri, caracteristici anatomice precum cristalinul direcționează lumina către retină, care este plin cu fotosenzori. Creierul compară apoi cantitatea de lumină care ajunge prin lentila curbată cu cantitatea înregistrată pe celule separate. Acest sistem, care combină manipularea fizică a luminii cu senzori moleculari, permite detectarea gradienților cu granulație fină de luminozitate și umbră și rezoluția sa în imaginea pe care o numim vedere.

Dar, deoarece plantele nu au creier, au nevoie de un sistem pasiv pentru a ajunge la aceleași concluzii. De aceea, capacitatea plantelor de a forma gradienți fizici este importantă: ele creează distincții inerente între celule fără a solicita plantei să facă comparații active.

Astfel, botaniștii s-au confruntat cu o enigmă. Fototropismul a fost în întregime un proces molecular, așa cum bănuiau unii, sau ar putea plantele să modifice fasciculele de lumină pentru a crea un gradient și a le direcționa mai bine răspunsul? Dacă acesta din urmă era adevărat, atunci plantele trebuie să aibă structuri fizice care să le permită să focalizeze lumina.

Acea structură va fi în cele din urmă identificată într-o versiune mutantă a unei buruieni de pe marginea drumului care s-a chinuit să găsească lumina.

Mutantul orb

creson Thale - cunoscut științei ca Arabidopsis thaliana — nu este o plantă deosebit de atractivă. Buruiana de 25 de centimetri înălțime este pasionată de terenurile perturbate, marginile câmpurilor și umărul drumurilor. Originar din Africa și Eurasia, se găsește acum pe fiecare continent, cu excepția Antarcticii. Biologii de plante l-au adaptat de atunci la un stil de viață științific: ciclul său scurt de viață, genomul mic (cartografiat complet în 2000) și tendința de a produce mutații utile în laborator, toate îl fac un organism model excelent pentru înțelegerea creșterii plantelor și a geneticii.

Cu Fankhauser a lucrat Arabidopsis din 1995 pentru a studia modul în care lumina modelează creșterea plantelor. În 2016, laboratorul său a analizat genele răsadurilor pentru a găsi plante mutante cu răspunsuri neobișnuite la lumină. Au crescut semințele într-o cameră întunecată cu lumini albastre pentru a direcționa răsadurile în lateral. De acolo, experimentul s-a desfășurat mai mult sau mai puțin așa cum a făcut-o lui Darwin acum 150 de ani: pe măsură ce cercetătorii au schimbat direcția luminii, plantele s-au reorientat către ea.

Cu toate acestea, o plantă mutantă s-a luptat. Deși nu a avut nicio problemă în a detecta gravitația, părea incapabil să urmărească lumina. În schimb, s-a îndoit în toate direcțiile, parcă orb și simțindu-se în întuneric.

Aparent, ceva nu mergea bine cu capacitatea mutantului de a simți lumina. Când echipa a examinat planta, ei au descoperit că avea fotoreceptori tipici, potrivit biologului de plante Martina Legris, post-doctorat în laboratorul lui Fankhauser și coautor al noii lucrări. Dar când echipa s-a uitat la tulpina la microscop, a observat ceva ciudat.

Salbaticul Arabidopsis, ca majoritatea plantelor, are canale de aer între celulele sale. Aceste structuri sunt ca niște puțuri de ventilație țesute în jurul compartimentelor celulare sigilate și se știe că joacă roluri importante atât în ​​fotosinteză, cât și în celulele de oxigenare. Dar canalele de aer ale plantei mutante au fost inundate cu apă. Echipa a urmărit mutația la genă abcg5, care produce o proteină care poate ajuta la impermeabilizarea peretelui celular pentru a se asigura că puțurile de aer ale plantei sunt etanșe la apă.

Intrigați, cercetătorii au încercat un experiment. Ei au umplut puțurile de aer intercelulare ale plantelor nemutante cu apă pentru a vedea dacă acest lucru le-a afectat creșterea. La fel ca și mutanții, aceste plante au avut dificultăți în a determina de unde venea lumina. „Putem vedea că aceste plante sunt normale din punct de vedere genetic”, a spus Legris. „Singururile lucruri care le lipsesc sunt aceste canale de aer.”

Cercetătorii au dedus că planta se orientează spre lumină printr-un mecanism bazat pe fenomenul de refracție – tendința luminii de a schimba direcția pe măsură ce trece prin diferite medii. Din cauza refracției, a explicat Legris, lumina trece printr-o normală Arabidopsis se va împrăștia sub suprafața tulpinii: de fiecare dată când se deplasează printr-o celulă de plantă, care este în mare parte apă, și apoi printr-un canal de aer, își schimbă direcția. Deoarece o parte din lumină este redirecționată în acest proces, canalele de aer stabilesc un gradient de lumină abrupt în diferite celule, pe care planta îl poate folosi pentru a evalua direcția luminii și apoi crește spre ea.

În schimb, atunci când aceste canale de aer sunt umplute cu apă, împrăștierea luminii este redusă. Celulele vegetale refractează lumina într-un mod similar cu un canal inundat, deoarece ambele conțin apă. În loc să se împrăștie, lumina trece aproape direct prin celule și canalele inundate până mai adânc în țesut, scăzând gradientul de lumină și privând răsadurile de diferențele de intensitate a luminii.

Văzând Lumina

Cercetarea sugerează că aceste canale de aer joacă un rol critic în a ajuta plantele tinere să urmărească lumina. Roger Hangarter, un biolog de plante de la Universitatea Indiana Bloomington, care nu a fost implicat în noul studiu, l-a salutat pentru că a găsit o soluție inteligentă la o problemă de lungă durată. Fankhauser, Legris și colegii lor „au pus unghiul în sicriu importanța acestor spații de aer”, a spus el.

Ideea a mai apărut, a remarcat Hangarter. În 1984, o echipă de cercetători de la Universitatea din York a sugerat că canalele de aer dintre celulele vegetale ar putea ajuta la stabilirea gradientului de lumină necesar. Dar, din moment ce echipa nu avea finanțare pentru a efectua experimente costisitoare, sugestia lor a rămas netestată.

„Pentru noi a fost întotdeauna derutant modul în care aceste mici, minuscule – aproape transparente – [plante embrionare] ar putea detecta un gradient”, a spus Hangarter. „Nu am dat niciodată prea multă credință chestiunii cu spațiul aerian, deoarece am fost distrași în căutarea moleculelor implicate. Intri pe o anumită cale de cercetare și primești ochiuri.”

Mecanismul canalului de aer se alătură altor dispozitive ingenioase pe care plantele le-au dezvoltat pentru a controla modul în care lumina se mișcă prin ele. De exemplu, cercetările realizate de Hangarter au ajutat la stabilirea că cloroplastele - organele celulare care efectuează fotosinteza - dansează activ în interiorul celulelor frunzelor pentru a muta lumina în jur. Cloroplastele se pot grupa cu lăcomie în centrul celulei pentru a absorbi lumina slabă sau pot fugi spre margini pentru a lăsa lumina mai puternică să treacă mai adânc în țesuturile plantelor.

Deocamdată, noile descoperiri despre canalele de aer se extind doar la răsaduri. În timp ce aceste canale de aer apar și în frunzele adulte, unde s-a demonstrat că joacă un rol în împrăștierea și distribuția luminii, nimeni nu a testat încă dacă joacă un rol în fototropism, a spus Legris.

Cât timp canalele de aer joacă acest rol nu este clar. Fosilele primitive de plante terestre de acum 400 de milioane de ani nu prezintă nici rădăcini, nici frunze - dar țesuturile de bază ale plantelor arată spații de aer intercelular destul de mari. Poate că au apărut inițial pentru aerarea țesuturilor sau schimbul de gaze, a spus Fankhauser, iar apoi au fost adaptate la rolul lor în fototropism. Sau poate că plantele au dezvoltat spații de aer în tulpini parțial pentru a le ajuta să simtă lumina, apoi le-au cooptat pentru a îndeplini alte funcții.

„Înțelegerea în continuare a acestor structuri - cum sunt construite, care este mecanismul din spatele lor - este interesantă pentru biologii de plante, dincolo de întrebarea cum plantele simt direcția luminii", a spus Fankhauser.

De asemenea, ar putea ajuta la exorcizarea fantomei lui Aristotel, care încă persistă în percepția oamenilor despre plante, a spus el. „Mulți oameni au sentimentul că plantele sunt organisme foarte pasive – nu pot anticipa nimic; fac doar ceea ce li se întâmplă.”

Dar această idee se bazează pe așteptările noastre cu privire la cum ar trebui să arate ochii. Se pare că plantele au dezvoltat un mod de a vedea cu întregul lor corp, unul țesut în golurile dintre celulele lor. Nu au nevoie de ceva atât de neîndemânatic ca o pereche de ochi pentru a urmări lumina.