Когда растения почувствовали гравитацию

Растения научились чувствовать силу тяжести сразу, как вышли на сушу, однако довольно долго это чувство оставалось у них несовершенным.

Нынешние наземные растения когда-то произошли от водорослеподобных предков, живших в древних морях и океанах – произошло это около 500 млн лет назад. Естественно, растениям пришлось сильно меняться: жить в воде – совсем не то же самое, что жить на суше. Воду и некоторые важные питательные вещества на суше приходится добывать из земли, так что растениям пришлось побыстрее обзавестись корнями, которые не только качали воду из земли, но и удерживали растение на месте.

Нам кажется естественным, что корни растут вниз – куда же им ещё расти? – но для того, чтобы они росли в правильном направлении, корни должны чувствовать силу тяжести. А заставить их чувствовать силу тяжести задача уже не совсем простая, и наземные растения не сразу решили её на «отлично».

Исследователи из Австрийского научно-технологического института и Педагогического университета Шэньси сравнили, как чувствуют силу тяжести мхи, плауны, папоротники, голосеменные и цветковые растения: их корневые системы заставляли расти горизонтально, наблюдая, когда корешки начнут загибаться книзу. Оказалось, что хуже всего из «положения лёжа» вниз растут корни у мхов, плаунов и папоротников – то есть у трёх самых древних групп наземных растений (среди которых мхи древнее и плаунов, и папоротников). Напротив, у эволюционно более молодых голосеменных (к которым относятся, например, хвойные), и цветковых (к которым относятся и пшеница в поле, и фикус на окне, и тополь на улице, и т. д.) корни довольно быстро поворачивали к низу. Иными словами, гравитропизм уверенно заработал только у голосеменных и цветковых.

Но что при этом произошло в их растительных клетках? Чтобы корни росли вниз, нужно, во-первых, чувствовать гравитационное поле, во-вторых, так организовать деление клеток, чтобы корень рос в нужном направлении – то есть нужно правильно передать сигналы, сообщающие о силе тяжести.

Для чувства гравитации у растений в клетках есть особые крахмальные гранулы амилопласты, которые оседают под действием силы тяжести. В статье в Nature Communications говорится, что если рассмотреть кончик корня у разных групп растений, то мы увидим, что только у голосеменных и цветковых амилопласты оседают прямо вниз и собраны действительно только в клетках самого кончика. А вот у мхов, плаунов и папоротников эти гранулы распределены по клеткам корня более равномерно, и потому, очевидно, не позволяют отчётливо чувствовать гравитационную силу.

С другой стороны, у голосеменных и цветковых удачно настроена передача гравитационного сигнала с помощью гормона ауксина, который управляет ростом растительных тканей. Поток ауксина через ткани делает клетки полярными – у них появляется верх и низ. Гормон переходит от клетки к клетке с помощью белков-переносчиков, и только у голосеменных и цветковых белки-переносчики в корнях расположены в клетке так, чтобы передавать сигнал по вертикали. Рост корня регулирует не только ауксин, но, так или иначе, другие молекулярные сигналы, связанные с ауксином, тоже начинают циркулировать по клеткам корня так, что корень растёт именно вниз.

Ещё раз повторим, что в целом гравитропизм у наземных растений возник быстро, иначе они не смогли бы укорениться на земле – в прямом и переносном смысле. Но на то, чтобы отточить чувство силы тяжести, понадобились миллионы лет эволюции. С другой стороны, сама по себе идея чувствовать гравитационное притяжение с помощью чего-то тяжелого в клетках возникала в природе не раз: например, один из плесневых грибков ощущает силу тяжести с помощью белкового «гравитационного кристалла», причем ген для этого белка грибок позаимствовал у бактерии.