От вьюнков, спирально обвивающих столбы забора, до виноградных лоз, извивающихся по беседкам, искривленный рост — это инструмент решения проблем, встречающийся во всем растительном царстве. Корни постоянно «извиваются», резко отклоняясь вправо или влево, чтобы избежать камней и другого мусора. Скрученный рост выполняет множество адаптивных функций у растений, что можно использовать для решения задач в агронауке.
В отличие от движений животных, движения растений требуют нарушения симметрии во время роста и обычно включают гены, связанные с микротрубочками. Учёным давно известно, что мутации в определённых генах, влияющих на микротрубочки у растений, могут приводить к тому, что растения растут с искривлением. В большинстве случаев это «нулевые мутации», то есть искривление часто является следствием отсутствия определённого гена.
Однако, механизм скручивания во многом оставался загадкой для ученых-ботаников, таких как Рам Диксит, профессор биологии имени Джорджа и Шармейн Маллинкродт в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, заведующий кафедрой биологии. Отсутствие гена должно вызывать множество других проблем у растений, однако искривленный рост — невероятно распространенная эволюционная адаптация.
Диксит, с помощью своей бывшей аспирантки Наташи Нолан и Гая Генина из инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета, нашел возможное решение. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Как выяснилось, для этого изменения не требуется полная нулевая мутация, достаточно лишь изменения экспрессии гена в определенном месте — в эпидермисе растения.
Сниженная адгезия эпидермальных клеток подавляет скручивающий рост. Источник: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66029-8
«Это может объяснить, почему это так широко распространено: для такого типа роста не нужны нулевые мутации, достаточно просто изменить определенные гены в эпидермисе», — сказал Диксит.
Данное исследование стало результатом работы Научно-технологического центра инженерной механобиологии Национального научного фонда (CEMB), общенационального консорциума, возглавляемого совместно с Вашингтонским университетом, который объединяет биологов, инженеров и физиков для понимания того, как физические силы формируют живые системы.
«Это открытие — прекрасный пример того, для чего был создан наш центр», — сказал Генин, профессор машиностроения имени Гарольда и Кэтлин Фот и содиректор CEMB.
«Сочетая биологические эксперименты с механическим моделированием, мы выявили фундаментальный принцип: внешний слой корня определяет его поведение при скручивании благодаря тем же законам физики кручения (скручивание под действием приложенного крутящего момента), которые объясняют, почему полые трубки могут быть почти такими же прочными, как сплошные стержни. Геометрия имеет огромное значение», поясняет он.
Помимо эволюционного интереса, понимание того, как корни перемещаются по почве, сейчас актуально как никогда. Поскольку изменение климата усиливает засухи и вынуждает сельское хозяйство осваивать малопригодные для земледелия земли с каменистыми, уплотненными почвами, культуры с корневой системой, способной процветать в сложных условиях, становятся критически необходимыми.
«Корни — это скрытая половина сельского хозяйства. Способность растения находить воду и питательные вещества полностью зависит от того, как его корни исследуют почву. Если мы поймем, как корни извиваются и преодолевают препятствия, мы сможем помочь сельскохозяйственным культурам выживать в местах, где они сейчас не могут», — сказал Чарльз Андерсон, профессор биологии и руководитель CEMB в Университете штата Пенсильвания, а также один из ведущих авторов статьи.
Скрученный рост также играет роль в том, как лианы карабкаются, как стебли сопротивляются ветру и как растения закрепляются, защищаясь от эрозии — факторы, имеющие решающее значение как для продовольственной безопасности, так и для устойчивости экосистемы.
Разгадка тайны
Используя модельную систему растений, в которой корни могут отклоняться вправо или влево, Наташа Нолан попыталась выяснить, какие слои растительных клеток регулируют это скручивание.
Клетки растений жестко зафиксированы на месте, почти склеены между собой и окружены прочной клеточной стенкой. Команда исследователей предположила, что изгибы возникают во внутреннем корковом слое, где мутация приводит к тому, что клетки становятся короткими и широкими, а не длинными и тонкими. Предполагалось, что фенотипы с изгибами возникают из-за того, что эпидермальный слой должен «наклоняться», чтобы поддерживать свою структурную целостность и достигать своих коротких соседей в корковом слое.
Нолан, которая сейчас работает в компании Pivot Bio, хотела выяснить, можно ли восстановить прямые корни, экспрессируя ген дикого типа специфическим образом в каждом клеточном слое, а не по всему корню, как это делалось ранее.
Поразительным открытием стало то, что если экспрессировать этот ген дикого типа (который поддерживает прямое положение корня) в любом из внутренних слоев клеток, то эти растения все равно выглядели точно так же, как и мутант с неактивным геном.
«Уже не имело значения, что этот белок теперь вырабатывается в некоторых внутренних слоях клеток, как будто его и не существовало», — сказал Диксит.
Напротив, когда ген дикого типа экспрессировался только в эпидермисе, корни росли прямо. Это показало исследователям, что «доминирующим клеточным слоем, определяющим такое поведение, является эпидермис», сказал Диксит.
Загадка разгадана: эпидермис управляет процессом перекручивания. Но как? Вот тут-то и в дело вступили механобиологи, в том числе соавторы Генин и Андерсон.
В лаборатории Андерсона измерили ориентацию целлюлозных микрофибрилл в корнях мутантных и диких типов растений. Дефекты в виде изгибов, по-видимому, изменяют отложение целлюлозы, и Генин использовал эти данные для создания компьютерной модели, объясняющей, почему эпидермис является основным органеллом.
«Когда клетки расположены концентрическими слоями, как кольца в стволе дерева, внешнее кольцо оказывает гораздо большее влияние на всю структуру, чем внутренние кольца. Наша модель показала, что если только эпидермис имеет смещенные ряды клеток, это может вызвать примерно треть общего скручивания, которое наблюдалось бы, если бы каждый слой был смещен. Но если исправить только эпидермис, весь корень выпрямится. Математические расчеты были однозначны: внешний слой играет решающую роль», — объяснил Генин.
Модель подтвердила результаты экспериментов Нолан. Когда она экспрессировала ген дикого типа (прямой корень) только в эпидермисе, это повлияло даже на клетки коры, которые все еще несли мутацию. Вместо того чтобы быть короткими и широкими, эти внутренние клетки стали длиннее и тоньше, почти как клетки дикого типа.
«Каким-то образом слой эпидермальных клеток способен взаимодействовать с внутренними слоями клеток. Эпидермис — это не пассивная кожица, а механический координатор роста всего органа», — сказал Диксит.
Теперь, когда ученые понимают, как растения "изгибаются", они могут применить эти знания для решения задач сельскохозяйственной науки.
«Представьте, что вы можете проектировать растения, которые регулируют склонность корней к скручиванию. В каменистых, негостеприимных условиях вам могут понадобиться корни, которые закручиваются вокруг препятствий. Это исследование дает нам цель и механическую основу для осмысления архитектуры корней как инженерной задачи», — сказал Андерсон.
«Это та проблема, которая требует учета множества точек зрения. Биолог в одиночку мог бы обнаружить, что эпидермис имеет значение, но у него не было бы инструментов, чтобы объяснить почему. Инженер в одиночку не смог бы провести генетические исследования и фенотипирование. Вместе, как центр, мы получили полную картину», — заключил Генин.
Источник: Вашингтонский университет в Сент-Луисе. Автор: Лия Шаффер.
На фото: этот корень растения был среди тех, которые изучались в рамках нового исследования, посвященного молекулярным основам того, как растения скручивают свои корни. Фото: лаборатория Диксита.