Растения способны точно координировать рост новых листьев и плодов

Фото из открытых источников

Растение томата формирует каждый лист в определённой последовательности. Сначала оно отмечает место, где будет образовываться новый листочек, а затем позволяет этому месту вырасти в полноценную листовую пластинку.

Оба этапа контролируется одним гормоном, называемым ауксином. Но как один-единственный сигнал может положить начало новому листочку и впоследствии расширить его, так и оставалось неясным. Начинается загадка гормонов.

Ауксин редко действует в растении в одиночку. В большинстве случаев он повышает уровень второго гормона роста, гиббереллина, поэтому обычно они оба стимулируют рост одновременно. Эта типичная для учебников взаимосвязь превратила томатный лист в настоящую загадку. Если ауксин только увеличивает уровень гиббереллина, то один гормон не может одновременно способствовать образованию нового листочка и впоследствии стимулировать его рост.

Группа исследователей под руководством Алона Израэли провела исследование двух гормонов в процессе формирования листьев. Работа была выполнена в лаборатории профессора Наоми Ори в Еврейском университете Иерусалима. Результаты исследования опубликованы в журнале Development.

«Один и тот же гормон должен выполнять две совершенно разные задачи в процессе формирования органов», — сказал Ори.

Для этой цели томат был удачным выбором. Его листья распадаются на множество мелких листочков, поэтому каждый новый листочек отмечает место, где начинается часть листа. Исследовательская группа опрыскала молодые листья синтетическим ауксином под названием пиклорам. Затем они определили, какие гены включились, а какие выключились.

Они также использовали мутантные растения. Один мутант ослабляет сигнал ауксина, поэтому листья почти не реагируют, в то время как другой поддерживает сигнал гораздо дольше, чем обычно. Здесь важен мутант с длительным сигналом. Его листья ведут себя так, как будто ауксин никогда не прекращает вырабатываться, что позволило команде увидеть, к чему приводит продолжительный сигнал.

Кратковременный выброс ауксина вызвал странный эффект. В течение 10 минут он активировал гены, отвечающие за расщепление гиббереллина, и подавил гены, отвечающие за его синтез. Гиббереллин выпал как раз там, где вот-вот должен был сформироваться новый листочек. Именно это локальное падение, а не подъем, позволило листочку начать формироваться.

Затем вся картина изменилась на противоположную. У растений с длительным ауксиновым сигналом вместо этого активировались гены, отвечающие за синтез гиббереллина, и их уровень снова повысился, в то время как листовая пластинка начала расширяться. Таким образом, решающим фактором был выбор времени. Кратковременный сигнал снижал уровень гиббереллина, чтобы запустить формирование листка, а длительный сигнал повышал его уровень, чтобы стимулировать рост.

Гены, расщепляющие гиббереллин, активировались не повсеместно. Их активность проявлялась именно в тех местах, где начинали формироваться новые листочки. Отдельный ген, отвечающий за синтез гиббереллина, вел себя противоположным образом. Он оставался активным в широких, растущих участках листа, где листовые пластинки расширялись.

Таким образом, два набора генов разделили работу листа. Один снижал уровень гиббереллина в крошечных начальных точках, а другой поддерживал его высокий уровень там, где ткани должны были расширяться.

Если низкий уровень гиббереллина способствует образованию листочков, то растения, у которых его больше, должны образовывать меньше листочков. Именно это и обнаружила команда исследователей. У растений, генетически модифицированных для поддержания активности гиббереллина, количество листочков было меньше, чем у обычных. Аналогичный эффект был достигнут путем отключения гена SlGA2ox4, нарушающего активность гиббереллина, что привело к уменьшению количества листочков.

Рост происходил в обратном направлении. Растения, которые не могли производить достаточное количество гиббереллина, не расширяли свои листья так, как это обычно происходит при наличии ауксина. Ещё один тест всё это подтвердил. Добавление гиббереллина к заблокированным растениям восстановило дополнительный рост, показав, что гиббереллин является тем этапом, который необходим ауксину для расширения.

Затем команда провела противоположный эксперимент. Они снизили действие гиббереллина только в полосках между листочками, где новые листочки почти никогда не появляются. В этих полосах образовались дополнительные листочки. Снижение уровня гиббереллина в одной небольшой зоне оказалось достаточным для того, чтобы листочек начал формироваться там, где растение обычно его не образует.

Эти полосы обычно остаются голыми. Уровень гиббереллина в них остается высоким, и этот высокий уровень сдерживает рост листочков. Правило казалось простым. Там, где уровень ауксина снижался, начинался листочек. Там, где уровень гиббереллина оставался высоким, полоска между листочками оставалась гладкой.

Эта закономерность может не ограничиваться только листьями томата. Те же гены, расщепляющие гиббереллин, активируются в начале цветения и роста корней у других растений, где ауксин также задает первый сигнал. Это указывает на общий этап в процессе формирования новых органов у растений. Гиббереллин опускается, чтобы образовалось место, а затем поднимается, чтобы вырастить то, что его заполнит.

В более ранних исследованиях снижение уровня гиббереллина также связывали с началом развития семязачатков и боковых корней. Это соответствует общерастительной закономерности снижения уровня гормона перед формированием нового органа. Обратное изменение также ставит под сомнение общепринятое мнение. Долгое время ауксин рассматривался как простой усилитель действия гиббереллина, а эта работа впервые показывает, что он может делать прямо противоположное.

Остается несколько вопросов. Авторы пишут, что трудно отделить локальное действие гиббереллина от его более широкой роли в скорости созревания всего листа. Гиббереллин также может перемещаться из растущих листочков в полоски между ними, поддерживая гладкость этих полосок. Данная работа указывает на такое перемещение, но не показывает, как именно оно происходит.

В будущем регулировка этого баланса может помочь селекционерам формировать форму листьев и ветвление у сельскохозяйственных культур. Эта возможность остается предметом будущих исследований.

«Наша работа показывает, что ауксин достигает этого, изменяя со временем свою связь с гиббереллином — сначала снижая активность гиббереллина, чтобы позволить сформироваться новому органу, а затем повышая ее, чтобы стимулировать рост», — сказал Ори. «Это достигается путем воздействия на различные целевые гены. Этот элегантный двухэтапный механизм помогает объяснить, как растения строят сложные органы с поразительной точностью».

Полученные результаты показывают, как точное соблюдение режима приема гормонов помогает томатам формировать сложные листья, и могут послужить ориентиром для будущих исследований в этой области.