Растения находят свет, используя промежутки между клетками | Журнал Кванта

На полке, заставленной терракотовыми горшками, травы склоняют свои стебли к ближайшему окну. В поле золотых полевых цветов листья вращаются вслед за солнцем. В пестром лесу виноградные лозы обвивают деревья, устремляясь вверх и прочь от темноты.

С древних времен способность растений ориентировать свое безглазое тело на ближайший и самый яркий источник света, известная сегодня как фототропизм, очаровывала ученых и вызывала бесчисленные научные и философские дебаты. И за последние 150 лет ботаники успешно раскрыли многие ключевые молекулярные пути, лежащие в основе того, как растения воспринимают свет и действуют на основе этой информации.

Тем не менее, важнейшая загадка сохранилась. Животные используют глаза — сложный орган, состоящий из линз и фоторецепторов, — чтобы получить подробную картину окружающего мира, включая направление света. Растения, как установили биологи, обладают мощным набором молекулярных инструментов для измерения освещенности. Но в отсутствие очевидных физических органов чувств, таких как линзы, как растения определяют точное направление, откуда исходит свет?

Теперь группа европейских исследователей нашла ответ. В недавней статье опубликованной в Наука, сообщают, что придорожный сорняк — Arabidopsis, любимец генетиков растений, — использует воздушные пространства между своими клетками для рассеивания света, изменяя путь света, проходящего через его ткани. Таким образом, воздушные каналы создают световой градиент, который помогает рассаде точно определить, откуда исходит свет.

Используя воздушные каналы для рассеивания света, растения отказываются от необходимости иметь отдельные органы, такие как глаза, в пользу более хитрого трюка: способности фактически «видеть» всем своим телом.

Глубокая дискуссия

Почему и как растения ориентируются на свет предмет ожесточенных споров уже более 2,000 лет. Ранние греческие философы утверждали, что растения, как и животные, способны к ощущениям и движению, и даже к желаниям и разуму. Но более поздние мыслители, такие как Аристотель, утверждали, что растения по своей природе пассивны и неспособны чувствовать окружающую среду, а тем более двигаться вместе с ней. «У растений нет ни ощущений, ни желаний», — писал он в О растениях. «Эти взгляды мы должны отвергнуть как необоснованные». На протяжении веков ученые были склонны с ним соглашаться.

Лишь в 1658 году алхимик и натурфилософ Томас Браун установил фототропизм как факт, задокументировав, что саженцы горчицы, растущие в горшках в подвале, постоянно ориентировали свой рост к открытому окну. Но в течение более двух столетий после этого биологи продолжали спорить о том, как растения это делают и реагируют ли они на солнечный свет или на его тепло.

В 1880 году Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис провели эксперименты по описанию фототропного механизма, который в конечном итоге был доказан. Как описано в Сила движения в растенияхПара выращивала рассаду — растения, которые еще не могли осуществлять фотосинтез, вместо этого полагаясь на запасенную энергию своих семян — в темной комнате. Когда синий свет падал на них с определенного направления, растения тянулись к нему. Затем, перемещая свет по комнате, Дарвины отслеживали соответствующие движения рассады.

На основании своих экспериментов Дарвины предположили, что рассада наиболее чувствительна к свету на кончике побега и что то, что они ощущают там, приводит к выработке некоего вещества, влияющего на направление роста растения. К 1920-м годам ботаники пришли к удобному консенсусу, который развил эту модель: растения имеют датчики света на кончиках и что они производят гормоны (позже идентифицированные как ауксин), которые стимулируют больший рост на их затененных сторонах, заставляя их стебли и листья наклониться к свету.

Как и многие великие открытия, это открыло новый вопрос: как именно растения вообще могут чувствовать свет? У них не было какого-либо очевидного органа чувств. Исследователи начали подозревать, что растения должны обладать сложными сенсорными способностями.

Молекулярные биологи взяли на себя эту задачу, показав, что растения могут измерять и реагировать на гораздо более широкий спектр света, чем мы можем глазами животных, даже несмотря на то, что у них нет специализированного органа восприятия. Пять различных семейств фоторецепторов, а также гормоны и сигнальные пути работают вместе, чтобы диктовать на клеточном уровне направление, в котором растение строит новую ткань, объясняя, как стебли скручиваются, поворачиваются и поднимаются вверх по мере необходимости. Эти фоторецепторы распространены по всему телу растения, но в основном сосредоточены во внутренних тканях стебля. Кристиан Фанкхаузер, биолог растений из Университета Лозанны в Швейцарии и автор нового исследования.

Однако одних простых датчиков недостаточно, чтобы дать растениям возможность определять направление света. Чтобы лучше всего определить направление сильного освещения, растение должно иметь возможность сравнивать сигналы между различными фоторецепторами, чтобы они могли ориентировать свой рост в сторону наиболее интенсивного света. И для этого им нужно, чтобы поступающий свет падал на их датчики в градиенте от самого яркого к самому тусклому.

Животные решили эту проблему посредством развития глаз. Простой организм, такой как планарий, обходится «глазными пятнами», которые просто ощущают присутствие или отсутствие света. В более сложных глазах животных, таких как наш, анатомические особенности, такие как хрусталик, прямой свет на сетчатку, который напичкан фотосенсорами. Затем мозг сравнивает количество света, поступающего через изогнутую линзу, с количеством, регистрируемым отдельными клетками. Эта система, сочетающая физическое манипулирование светом с молекулярными датчиками, позволяет обнаруживать мелкозернистые градиенты яркости и тени и превращать их в картинку, которую мы называем зрением.

Но поскольку у растений нет мозга, им нужна пассивная система, чтобы прийти к тем же выводам. Вот почему важна способность растений формировать физические градиенты: они создают внутренние различия между клетками, не требуя от растения активных сравнений.

Таким образом, ботаники столкнулись с загадкой. Был ли фототропизм полностью молекулярным процессом, как некоторые подозревали, или растения могли изменять световые лучи, чтобы создавать градиент и лучше направлять свою реакцию? Если последнее верно, то растения должны иметь физические структуры, позволяющие им фокусировать свет.

Эта структура, наконец, будет идентифицирована в мутантной версии придорожного сорняка, изо всех сил пытающегося найти свет.

Слепой мутант

Кресс-сала — известный науке как Arabidopsis thaliana — не особо привлекательное растение. Сорняк высотой 25 см любит нарушенную землю, опушки полей и обочины дорог. Родом из Африки и Евразии, сейчас он встречается на всех континентах, кроме Антарктиды. С тех пор биологи растений адаптировали его к научному образу жизни: его короткий жизненный цикл, небольшой геном (полностью нанесено на карту в 2000 году) и склонность производить полезные мутации в лаборатории — все это делает его отличным модельным организмом для понимания роста и генетики растений.

Фанкхаузер работал с Arabidopsis с 1995 года изучает, как свет влияет на рост растений. В 2016 году его лаборатория проверила гены рассады, чтобы найти мутантные растения с необычной реакцией на свет. Семена выращивали в темной комнате с синим освещением, чтобы направлять всходы вбок. С этого момента эксперимент проходил более или менее так же, как эксперимент Дарвинов 150 лет назад: когда исследователи изменили направление света, растения переориентировались на него.

Однако одно растение-мутант боролось. Хотя у него не было проблем с восприятием гравитации, он, похоже, не мог отслеживать свет. Вместо этого он согнулся во всех направлениях, словно слепой и ощупывающий все в темноте.

Очевидно, что-то пошло не так со способностью мутанта чувствовать свет. По словам биолога растений Мартины Легрис, постдока в лаборатории Фанкхаузера и соавтора новой статьи, когда команда исследовала растение, они обнаружили, что у него есть типичные фоторецепторы. Но когда команда посмотрела на стебель под микроскопом, они заметили что-то странное.

Дикий Arabidopsis, как и большинство растений, имеет между клетками воздушные каналы. Эти структуры подобны вентиляционным шахтам, оплетенным вокруг герметичных клеточных отсеков, и известно, что они играют важную роль как в фотосинтезе, так и в насыщении клеток кислородом. Но воздушные каналы растения-мутанта были затоплены водой. Команда отследила мутацию гена abcg5, который производит белок, который может помочь сделать клеточную стенку водонепроницаемой и обеспечить водонепроницаемость вентиляционных шахт растения.

Заинтригованные исследователи провели эксперимент. Они наполнили межклеточные воздушные пути немутантных растений водой, чтобы посмотреть, повлияет ли это на их рост. Как и мутантам, этим растениям было трудно определить, откуда исходит свет. «Мы видим, что эти растения генетически нормальны», — сказал Легрис. «Единственное, чего им не хватает, — это эфирных каналов».

Исследователи пришли к выводу, что растение ориентируется на свет посредством механизма, основанного на явлении преломления — тенденции света менять направление при прохождении через различные среды. Из-за рефракции, объяснил Легрис, свет, проходящий через нормальное Arabidopsis разлетится под поверхностью стебля: каждый раз, проходя через растительную клетку, состоящую в основном из воды, а затем через воздушный канал, он меняет направление. Поскольку при этом часть света перенаправляется, воздушные каналы создают крутой градиент света между различными клетками, который растение может использовать для оценки направления света и затем расти в его направлении.

Напротив, когда эти воздушные каналы заполнены водой, рассеяние света уменьшается. Растительные клетки преломляют свет аналогично затопленному каналу, поскольку обе они содержат воду. Вместо рассеяния свет проходит почти прямо через клетки и заполненные каналы в более глубокие ткани, уменьшая световой градиент и лишая рассаду различий в интенсивности света.

Видя свет

Исследования показывают, что эти воздушные каналы играют решающую роль, помогая молодым растениям отслеживать свет. Роджер Хангартер, биолог растений из Университета Индианы в Блумингтоне, который не принимал участия в новом исследовании, похвалил его за нахождение умного решения давней проблемы. Фанкхаузер, Легрис и их коллеги «весьма удачно забили гвоздь в гроб важности этих воздушных пространств», сказал он.

По словам Хангартера, эта идея уже возникала раньше. В 1984 году группа исследователей из Йоркского университета предположила, что воздушные каналы между растительными клетками может помочь установить необходимый градиент света. Но поскольку у команды не было финансирования для проведения дорогостоящих экспериментов, их предложение осталось непроверенным.

«Нас всегда удивляло, как эти маленькие, крошечные — почти прозрачные — [эмбриональные растения] могли обнаружить градиент», — сказал Хангартер. «Мы никогда по-настоящему не доверяли теории воздушного пространства, потому что были заняты поиском молекул, которые в ней задействованы. Вы встаете на определенный путь исследования и получаете шоры».

Механизм воздушных каналов присоединяется к другим гениальным устройствам, которые растения разработали для управления движением света через них. Например, исследования Хангартера помогли установить, что хлоропласты — клеточные органеллы, осуществляющие фотосинтез — активно танцуют внутри клеток листа перемещать свет. Хлоропласты могут жадно группироваться в центре клетки, чтобы поглощать слабый свет, или отходить к краям, чтобы позволить более сильному свету проникать глубже в ткани растения.

Пока новые данные о воздушных каналах распространяются только на проростки. Хотя эти воздушные каналы также появляются во взрослых листьях, где, как было показано, они играют роль в рассеянии и распределении света, никто еще не проверял, играют ли они роль в фототропизме, сказал Легрис.

Как долго эфирные каналы играют эту роль, неясно. Окаменелости примитивных наземных растений, существовавшие 400 миллионов лет назад, не содержат ни корней, ни листьев, но в сердцевинных тканях растений видны довольно большие межклеточные воздушные пространства. Возможно, первоначально они возникли для аэрации тканей или газообмена, говорит Фанкхаузер, а затем адаптировались к своей роли в фототропизме. Или, возможно, растения создали воздушные пространства в стеблях частично для того, чтобы помочь им чувствовать свет, а затем использовали их для выполнения других функций.

«Дальнейшее понимание этих структур — как они построены, какой механизм за ними стоит — интересно для биологов растений, помимо вопроса о том, как растения чувствуют направление света», — сказал Фанкхаузер.

По его словам, это также могло бы помочь изгнать призрак Аристотеля, который до сих пор присутствует в представлениях людей о растениях. «Многим людям кажется, что растения — очень пассивные организмы — они ничего не могут предвидеть; они просто делают то, что с ними происходит».

Но эта идея основана на наших ожиданиях относительно того, как должны выглядеть глаза. Оказывается, растения развили способ видеть всем телом, вплетенным в промежутки между клетками. Им не нужно ничего столь неуклюжего, как глаза, чтобы следить за светом.