Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, может быть полезна для многих видов исследований растений, а также для более полного понимания гормона ауксина, который играет важную роль в росте и многих других важных процессах растений. Понимание ауксина может, например, способствовать производству более быстрорастущих культур или помочь смягчить такие последствия изменения климата, как засуха или раннее цветение.«Более 130 лет назад Чарльз Дарвин предположил, что в растениях может быть вещество, способствующее росту», — говорит доцент Вольфганг Буш, член Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка и старший автор новой статьи. «Сегодня мы знаем, что это вещество является гормоном ауксином, и современные научные инструменты, наконец, позволяют нам глубоко исследовать его роль как основного двигателя структуры и роста растений».
Одна из давних загадок растений заключается в том, как они растут, потому что жесткая внешняя клеточная стенка, которая дает им структурную поддержку, также сдерживает рост клеток. Одно рабочее объяснение называется гипотезой кислотного роста, которая гласит, что ауксин говорит растительным клеткам закачивать кислоту в пространство между клетками и окружающей клеточной стенкой, чтобы запустить ферменты, разжижающие клеточную стенку. Так же, как ослабление пояса после обильной еды дает нашему животу пространство для расширения, ослабление клеточной стенки дает растительным клеткам пространство для роста.
Теория подкисления оказалась довольно точной для побегов растений, но ее сложнее доказать для корней. Некоторые исследования показали, что ауксин на самом деле стимулирует ощелачивание (противоположное закислению) корней.
Одна из сложностей понимания этого заключается в том, что в корнях очень трудно измерить pH.Команда под руководством Солка, в которую вошли исследователи из Венского института молекулярной биологии растений им. Грегора Менделя (где раньше базировался Буш), приступила к изучению вопроса о том, как растут корни. Они знали, что сначала им нужно решить проблему измерения pH для определения кислотности.
Поэтому они протестировали ряд химических веществ, которые, по их мнению, могут быть хорошими pH-чувствительными красителями, и обнаружили, что флуоресцентный химикат (сокращенно HPTS) отвечает всем требованиям. Испытания команды подтвердили, что краситель достоверно показывает разные уровни pH, что можно визуализировать с помощью прибора, называемого конфокальным лазерным сканирующим микроскопом.
Затем они приступили к установлению того, что pH фактически коррелирует с ростом клеток. Они измерили длину клеток в корнях сорняка Arabidopsis thaliana (родственника капусты) до и после погружения проростков растений в питательную среду и проверки их pH.
До того, как клетки начали расти, pH был щелочным, во время роста pH был кислым, а в конце периода роста pH вернулся к своей щелочности до роста. Команда обнаружила, что они также могут запускать или останавливать рост, погружая корни в кислые или щелочные жидкости. В совокупности эти эксперименты подтвердили, что подкисление способствует удлинению клеток корня.«Очень интересно наблюдать на клеточном уровне, что простая химическая характеристика, такая как pH, является такой движущей силой для удлинения корневых клеток», — говорит Эльке Барбез, научный сотрудник Института Грегора Менделя и первый автор статьи.
Затем команда обратилась к вопросу о том, было ли подкисление вызвано ауксином. Чтобы визуализировать гормон, они использовали флуоресцентные метки, которые были прикреплены к белку, который связывается с ауксином, а затем измерили длину клеток, pH и уровни ауксина у нормальных проростков, а также у проростков, которые не могли вырабатывать гормон или не могли правильно на него реагировать. .Их результаты указали на более сложную роль ауксина, чем считалось ранее: при низких концентрациях ауксин действительно запускал закисление и разрыхление клеточной стенки, что способствовало росту корней. Но при высоких концентрациях ауксин запускал ощелачивание, которое подавляло рост.
Однако ингибирующий эффект длился всего два часа. Работа группы предлагает ключ к разгадке того, почему предыдущие исследования были такими запутанными или противоречивыми: при слишком коротких временных рамках двойная («двухфазная») природа ауксина не очевидна.
«Мы воодушевлены этими результатами не только потому, что они проясняют сложную природу передачи сигналов ауксина, но и потому, что понимание того, как этот главный гормон растения работает в разных временных масштабах, может быть чрезвычайно важным для любых усилий по повышению урожайности сельскохозяйственных культур или ускорению роста корней в качестве способа. чтобы защитить растения от засухи », — добавляет Буш.