Вы, вероятно, не так часто задумываетесь о корнях растений — ведь они скрыты под землёй. Тем не менее они постоянно меняют мир. Подобный процесс происходит и в вашем саду, где растения используют невидимые механизмы для своего бесконечного роста.
Около 15 лет назад учёные обнаружили, что гены на кончике корня (точнее, уровень белков, производимых некоторыми генами) как будто пульсируют. Это до сих пор остаётся загадкой, но последние исследования дают нам новые сведения по этому вопросу.
Мы знаем, что эти колебания являются основным механизмом, лежащим в основе роста корней. Если бы мы лучше понимали этот процесс, это помогло бы фермерам и учёным разрабатывать или выбирать лучшие растения для выращивания в различных типах почвы и климата. Сейчас, когда всё более экстремальные погодные условия, такие как засухи и наводнения, наносят ущерб урожаю по всему миру, понимание того, как растут растения, важно как никогда раньше.
Чтобы понять, как растут растения, необходимо рассмотреть процессы, происходящие внутри клеток. Внутри клеток постоянно происходят многочисленные химические реакции и изменения в активности генов.
Некоторые из этих реакций запускаются в ответ на внешние сигналы, такие как изменение освещённости, температуры или наличия питательных веществ. Но многие из них являются частью программы развития каждого растения, закодированной в его генах.
Некоторые из этих клеточных процессов регулярно колеблются — некоторые семейства молекул ритмично появляются и исчезают каждые несколько часов. Самый известный пример — циркадные ритмы, внутренние часы растений и животных (включая человека).
Природные циклы
В природе существует множество других примеров спонтанных колебаний. Некоторые из них происходят быстро, как, например, биение сердца или митотический клеточный цикл — цикл деления клеток. Другие, такие как менструальный цикл и спячка, происходят медленно.
Чаще всего их можно объяснить наличием петли отрицательной обратной связи. Это когда процесс запускает серию событий, которые затем подавляют ту самую активность, которую он вызвал. Именно так, по-видимому, и происходит пульсация роста корней.
Вскоре после того, как была обнаружена осцилляция генов кончика корня, учёные заметили, что эта пульсация оставляет невидимый след. Они выяснили это с помощью флуоресцентных маркёров, видимых под микроскопом. Эти метки остаются в тех местах, где корень может расти вбок. Это означает, что они служат регулярным сигналом, благодаря которому корневая система принимает свою форму.
Причина его возникновения на сегодняшний день неизвестна, хотя учёные уже исключили теорию о том, что он может быть обусловлен циркадными колебаниями.
Известно, что в этом процессе задействовано множество петель обратной связи. Гормон растений под названием ауксин, по-видимому, играет решающую роль в этом процессе. Он пробуждает некоторые гены, кодирующие белки, например, необходимые для роста. Ещё Чарльз Дарвин выдвинул гипотезу о существовании ауксина, а его химическая структура была подтверждена около 100 лет назад.
Колеблющиеся гены — это «мишени» ауксина. Когда ауксин попадает в клетку, эти гены-мишени становятся более активными. Некоторые из этих генов связаны с ростом, но не все. Ауксин вызывает удаление «репрессоров», белков, которые могут блокировать активность генов. У животных в клетках тоже есть репрессоры.
Но эти репрессоры активируются генами, которые они блокируют. Возможно, эта петля обратной связи и вызывает наблюдаемые нами колебания, но мы не знаем наверняка.
Мы знаем, что ауксин перемещается от клетки к клетке с помощью сложной сети белков-транспортёров. То, как белки направляют движение к частям клеток, зависит от уровня самого ауксина в окружающей среде. Это ещё одна петля обратной связи. Пульсация происходит в растущих корнях, где клетки на кончике постоянно делятся в результате клеточного цикла (в котором задействованы отдельные петли обратной связи).
Ну и головоломка
Учёные часто обращаются к математике, чтобы объяснить происходящее. Исследователи использовали геометрию с древнейших времён для изучения видимой части растений. Разработанная в XIX веке ветвь математики под названием теория динамических систем дала учёным некоторую ясность в вопросе о том, почему корни растений колеблются. Учёные использовали инструменты этой теории, чтобы показать, как раунды деления клеток влияют на паттерны ауксина.
Если бы эти циклы деления клеток были хорошо синхронизированы, мы могли бы показать, что, теоретически, это привело бы к регулярному пульсированию ауксина. Но это не решает загадку, поскольку клетки обычно не делятся все одновременно, и поэтому пульсация ауксина в таком случае была бы довольно нерегулярной.
Когда моя команда посмотрела под микроскопом на флуоресцентные маркёры ауксина, мы обнаружили отсутствие регулярности в ауксине в тех частях корня, где его целевые гены колеблются регулярно. Это говорит о том, что колебания генов кончика корня могут быть связаны с ростом корня, но не происходят одновременно с делением стволовых клеток корня.
Хотя эта загадка всё ещё остаётся неразгаданной, теперь мы лучше подготовлены к её расшифровке. Ответ, вероятно, кроется не в каком-то одном процессе, а в результате взаимодействия различных процессов. Мы знаем ключевых игроков, но правила игры, в которую они играют, ещё предстоит выяснить.
