Благодаря замедленной съемке ученые увидели, как корень растения обходят препятствия, чтобы найти первую точку опоры

Группа ученых из Лаборатории биолога Филипа Бенфея в Университете Дьюка, США, запечатлила процесс прорастания корней.

«От того, как корни исследуют почвенную среду, зависит их способность усваивать питательные вещества и воду. Известно очень мало генов, контролирующих архитектуру корневой системы (RSA), прежде всего из-за сложности наблюдения за ростом корней в почве. Первоначально мы уменьшили сложность среды роста до гелевой матрицы, которая сохраняла бы трехмерную структуру корня. В сотрудничестве с Джошуа Вейцем (Технологический институт Джорджии) и Гербертом Эдельсбруннером (Австрийский Институт наук и технологий) мы разработали программное обеспечение для анализа изображений и трехмерной реконструкции. Анализ набора рекомбинантных инбредных линий (RIL) позволил нам составить карту QTL для признаков корневой архитектуры у риса и кукурузы. Чтобы изучить, как эти черты реагируют на почву, мы выращивали рис в среде, состоящей из трех разных размеров частиц», пишут авторы на сайте Лаборатории Бенфея.

Ученые установили камеру на прорастающих в прозрачном геле семенах риса, делая новый снимок каждые 15 минут в течение нескольких дней после прорастания.

Когда они воспроизвели отснятый материал со скоростью 15 кадров в секунду, сократив 100 часов роста до менее чем минуты, то увидели, что рисовые корни используют трюк, чтобы закрепиться в почве: их кончики делают штопороподобные движения, покачиваясь и закручиваясь по спирали.

танцующие корни

Интересно, что не все корни смогли «штопор». Виной всему является мутация гена HK1, которая заставляет расти прямо вниз, а не кружиться и извиваться, как это делают другие корни.

рост корней

Команда также отметила, что мутантные корни росли вдвое глубже обычных. В связи с этим возник вопрос: «Что делает для растения более типичный спиралевидный рост кончиков корней?».

«Извилистые движения корней растений были феноменом, который очаровал Чарльза Дарвина еще 150 лет назад, - говорит Бенфей.  - В случае со съемками очевидна полезность стратегии: скручивание и кружение облегчают нахождение точки опоры, когда растения поднимаются к солнечному свету. Но как и почему это происходит в корнях, оставалось загадкой».

Исследователи говорят, что проращивание семян – сложная задача. Чтобы они выжили, первый появляющийся крошечный корень должен закрепить растение и направиться вниз, чтобы добыть воду и питательные вещества, необходимые для роста.

В экспериментах, проведенных в лаборатории профессора физики Дэниела Голдмана в Технологическом институте Джорджии, наблюдения за нормальными и мутантными корнями риса, растущими над перфорированной пластиковой пластиной, показали, что нормальные спиралевидные корни в три раза чаще находят отверстие и вырастают на другую сторону.

Сотрудники Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре построили мягкого податливого робота, который ведет себя как корень, и разместили его на полосе препятствий из колышков.

Для создания робота команда взяла две надувные пластиковые трубы и вложила их друг в друга. При изменении давления воздуха мягкая внутренняя трубка выталкивалась изнутри наружу, в результате чего робот удлинялся от кончика. Сжатие противоположных пар искусственных «мускулов» заставляло кончик робота изгибаться из стороны в сторону по мере «роста».

Даже без сложных датчиков или элементов управления роботизированный корень все еще мог преодолевать препятствия и находить путь через колышки. Но когда изгибание из стороны в сторону прекратилось, робот быстро застрял в колышках.

прорастание семян

Наконец, команда вырастила обычные и мутантные семена риса в грунтовой смеси для бейсбольных полей, чтобы проверить их на препятствиях, с которыми корень действительно может столкнуться в почве.

Конечно, в то время как у мутантов были проблемы с зацепом, нормальные корни со спиралевидными кончиками могли проходить сквозь них.

Рост штопора на кончике корня координируется растительным гормоном ауксином – веществом, способным перемещаться по кончику растущего корня волнообразно. Накопление ауксина на одной стороне корня приводит к тому, что эти клетки удлиняются меньше, чем клетки на другой стороне, и кончик корня изгибается в этом направлении.

Исследователи обнаружили, что растения, несущие мутацию HK1, не могут танцевать из-за дефекта в том, как ауксин переносится от клетки к клетке. Блокируйте этот гормон, и корни теряют способность вращаться.

Работа помогает ученым понять, как корни растут в твердой, уплотненной почве.

(Источники: www.eurekalert.org, sites.duke.edu).