Растения являются экспертами в выживании и могут контролировать направление своих корней, чтобы максимально использовать ресурсы вокруг них. Используя специализированные клетки, они могут ощущать силу тяжести и перераспределять гормоны, называемые ауксинами, для стимуляции роста и развития жизненно важных функций растения. Однако большая загадка заключается в том, как этот транспортный процесс происходит на клеточном уровне. Чтобы узнать больше, исследователи из Японии изучили саженцы огурца, проросшие в условиях очень слабой гравитации — или микрогравитации — Международной космической станции.
Огурцы были выбраны для исследования, поскольку они, как и другие «бахчевые» саженцы, такие как дыни, тыква и кабачки, имеют специальные выступы или колышки, образование которых регулируется силой тяжести. Эти колышки образуются на ранней стадии роста растения, чтобы помочь проросткам выйти из твердой семенной оболочки и закрепить развивающееся растение в почве, пока формируются его корни.Когда семена помещаются до прорастания либо i) в вертикальном положении с направленными вниз зародышевыми корнями, либо ii) в условиях микрогравитации, с каждой стороны появляются штифты, — объясняет Хидеюки Такахаси, сотрудник Лаборатории космической и адаптивной биологии Университета Тохоку.
Высшая школа наук о жизни. Но когда они размещаются горизонтально на земле, образование колышков на верхней стороне подавляется под действием силы тяжести.В этом последнем раунде работы, опубликованном в журнале Nature Microgravity и с использованием образцов, выращенных на борту Международной космической станции, Такахаши и его команда подчеркивают ценный вклад в этот процесс чувствительного к гравитации белка CsPIN1. Роль белка в облегчении транспорта гормонов роста была впервые предложена в предыдущих экспериментах, проведенных на Земле.
Чтобы получить больше информации, исследователи загрузили семена огурцов в специально разработанные канистры, которые были отправлены на космическую станцию. Здесь водопоглощающий пенопласт в контейнере был орошен, и теперь проросшие проростки выращивались в микрогравитационном отсеке экспериментального центра клеточной биологии в течение 24 часов. Затем проростки огурцов либо i) выдерживали в условиях микрогравитации, либо ii) грави-стимулировали путем приложения центробежной силы 1 g в течение следующих двух часов.
Одной из больших проблем, с которыми столкнулась команда, было найти подходящий фиксатор, чтобы «заморозить» состояние проростков, проросших на космической станции, чтобы образцы можно было детально проанализировать на Земле. Правила безопасности на космической станции запрещали использование стандартного фиксирующего раствора этанола, хлороформа и уксусной кислоты, но после долгих испытаний ученые разработали альтернативу, основанную на смеси уксусной кислоты, этанола и дистиллированной воды.Воссоединившись со своими сеянцами огурца, японские исследователи использовали технику окрашивания, чтобы определить изменения в поведении клеток, вызванные грави-стимуляцией.
Изучая поперечные срезы проростков под микроскопом, ученые обнаружили, что белок CsPIN1 (выделенный в процессе окрашивания) может перемещаться под действием силы тяжести.В частности, было обнаружено, что это изменение положения белка происходит в так называемой переходной зоне проростков огурца — области между стеблем и корнями, где развиваются колышки.
Более того, похоже, что такое поведение стимулирует формирование клеточного канала, способного транспортировать гормоны роста из одной стороны этой зоны в другую.«Этот результат помогает объяснить регулируемое гравитацией снижение уровня ауксина и тем самым подавление образования колышков на верхней стороне горизонтально растущих сеянцев огурца», — добавляет Такахаши.
Проще говоря, эти результаты указывают на механизм, с помощью которого семена могут включать и выключать рост своих фиксирующих штифтов в зависимости от их ориентации относительно силы тяжести. И, как следствие, повышают их шансы на выживание.