Растительные клетки могут контролировать рост в темноте

3 февраля 2018



В условиях отсутствия света проростки должны придерживаться стратегии экономии энергии, что заставляет их нуждаться в специальных сигналах, генерируемых пектином клеточной стенки, которые могут контролировать рост в темноте.

Растения используют разные механизмы роста в условиях темноты и света, называемые соответственно скотоморфогенезом и фотоморфогенезом. Новое исследование предполагает, что фрагменты пектина в клеточной стенке подают специальные сигналы для поддержания скотоморфогенеза в темноте. Из этих результатов появилась модель, в которой свет каким-то образом прерывает эту сигнализацию на уровне пектина, чтобы начался фотоморфогенез.

Растениям не всегда нужен солнечный свет для роста. Через процесс, называемый скотоморфогенезом, проростки, появляющиеся темноте, например, находясь слишком далеко от поверхности почвы, вытягиваются в длинные бледные побеги чтобы найти свет. Вспомните о веретеновидно вытянутых ростках фасоли, которые вы можете купить в продуктовом магазине, говорит доктор Уте Крэмер, профессор физиологии растений Рурского университета в Бохуме (Германия). Это энергосберегающая тактика, позволяющая растениям увидеть свет. Как только они добираются до него, они необратимо переключаются на светлый рост, развивая свои корни и листья, этот процесс называется фотоморфогенезом.

Крэмер говорит, что, хотя клеточные компоненты, определяющие фотоморфогенез, были поняты десятилетия назад, пути передачи сигналов, определяющие изменение стратегии роста (в условиях темноты и на свету) от клетки к клетке по сей день остаются загадкой. Как световые сигналы передаются с верхней части рассады дальше по течению, так что может начаться переход от ското- к фотоморфогенезу?

Чтобы разгадать эту загадку, команда Креймера поместила в испытательное оборудование мутантов резуховидки Таля (Arabidopsis, мелкий сорняк, который считается «белой лабораторной мышью» для ботаников), которые используют фотоморфогенез даже в темноте, заканчивая его более длинными корнями и более крупными, более зелеными листьями, чем через скотоморфогенез. В этих саженцах исследователи обнаружили, что пектин, компонент клеточной стенки, имеет химические модификации, включающие больше метилкарбоксиэфирных групп и меньше групп ацетилирования.

Хотя генетика и молекулярные механизмы этих мутантов варьировались, их объединяли похожие пектиновые изменения, и Креймер сделал вывод о том, что именно они отвечали прохождение фотоморфогенеза в темноте. По этой логике, нормальные компоненты пектина в проростках дикого типа могут быть сигналом об отсутствии света, которые передаются в другие клетки. Чтобы проверить эту теорию, исследователи начали снабжать среду роста мутантов нормальными фрагментами пектина, чтобы увидеть, сможет ли это восстановить скотоморфогенез.
Первым, что они попытались добавить, был кусок пектиновой основы, называемой галактуроновой кислотой, который они ввели в виде мономера. Это не привело к изменениям, поэтому они попробовали димер. И снова ничего. Но как только они дали мутантным проросткам тример галактуроновой кислоты, последние стали похожи на обычные растения, которые выращивались в темноте. «Мы считаем, что в темноте растения производят это соединение, и оно распознается рецептором, который затем действует посредством трансдукции сигнала, подавляя светлый тип развития рассады, — говорит Крэмер, — и, следовательно, поддерживая „темный“ тип».
Биолог, занимающийся изучением клеточной стенки, работающий в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Хенрик Шеллер, который непосредственно не участвовал в исследовании, разработал один из мутантов, используемый Крэмером в эксперименте. Шеллер говорит, что ему пектин известен своей ролью в реагировании на патогены, но он не предполагал, что это вещество также участвует и в системе сигналов морфогенеза.
«Это поднимает много новых вопросов, — рассказывает Шеллер The Scientist. «И это не просто постепенное изменение нашего взгляда, это действительно принципиально новое знание о роли клеточной стенки и фрагментов, которые она генерирует. И это очень интересно».