Американские ботаники выяснили, что пространственная ориентация растений определяется не только стремлением расти вверх, а является результатом противоборства двух сигнальных систем. В ходе исследования был описан белок SLQ1, который активно стимулирует рост стебля вниз. Это открытие меняет традиционное представление о гравитропизме: оказалось, что растения балансируют между сигналами «вверх» и «вниз».

Как растения определяют направление роста

Способность растений ощущать гравитацию и расти против её направления (отрицательный гравитропизм) связана с белками семейства LAZY. В специальных клетках-статоцитах находятся статолиты — тяжёлые зерна крахмала, связанные с белками LAZY. Под действием гравитации статолиты опускаются к нижней стенке клетки, где белки LAZY связываются с мембраной и изменяют поток гормона ауксина, заставляя стебель изгибаться и расти вверх.

Если удалить гены LAZY, растения-мутанты (так называемые lazy, или «ленивые» мутанты) теряют способность к вертикальному росту и стелются по земле. Ранее считалось, что это происходит из-за утраты способности ориентироваться по гравитации: растение просто «падает» и растёт горизонтально.

Открытие белка SLQ1

В новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS, учёные провели генетический скрининг мутантов Arabidopsis, лишённых всех основных генов LAZY. Целью было найти дополнительную мутацию, которая могла бы восстановить нарушенный механизм гравитационного роста. В результате был обнаружен мутант, который, несмотря на отсутствие белков LAZY, вновь начал расти вертикально. Генетический анализ показал, что причиной «исцеления» стала мутация в гене, названном SLQ1 (Suppressor of Lazy Quadruple 1). Учёные изучили структуру белка SLQ1, его локализацию в клетке и взаимодействие с гормоном ауксином.

Исследование показало, что «ленивые» растения стелются по земле не из-за слабости или потери ориентации, а из-за активной работы белка SLQ1. При отсутствии LAZY именно SLQ1 начинает управлять потоком ауксина так, что растение прижимается к почве (положительный гравитропизм).

Баланс между сигнальными системами

В нормальных условиях у растения работают обе системы: сильный сигнал LAZY тянет стебель вверх, а более слабый сигнал SLQ1 — вниз. В результате LAZY побеждает, и растение растёт вертикально. Белок SLQ1 действует в паре с белком SETH6, формируя комплексы в местах контакта эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, что влияет на транспорт гормонов.

Самым неожиданным открытием стало то, что при отключении обеих систем — и «вверх» (LAZY), и «вниз» (SLQ1) — растение не полностью теряет ориентацию и сохраняет слабую способность расти вверх. Механизм определения гравитации, независимый от LAZY, ещё предстоит изучить.

Новое понимание роста растений

Рост растения — это не выполнение одной команды, а динамическое равновесие между конкурирующими молекулярными путями. Изменяя баланс между белками LAZY и SLQ1, растение может точно настраивать угол роста ветвей, что важно для формирования оптимальной архитектуры кроны. Дальнейшее изучение механизмов, независимых от LAZY, может привести к пересмотру существующих теорий гравитропизма.