Американские ботаники выяснили, что ориентация растений в пространстве — результат конкуренции двух противоположных сигнальных систем, а не простого стремления расти вверх. Они описали белок SLQ1, который активно заставляет стебель расти вниз. Это открытие меняет представление о гравитропизме: оказалось, растения балансируют между сигналами «вверх» и «вниз».
Способность растений определять гравитацию и расти против нее (отрицательный гравитропизм) зависит от белков семейства LAZY. В специальных клетках-статоцитах есть статолиты — тяжелые зерна крахмала, связанные с белками LAZY. Под действием гравитации они опускаются на нижнюю стенку клетки, где белки связываются с клеточной мембраной и меняют поток растительного гормона ауксина, заставляя стебель изгибаться и расти вверх.
Растения-мутанты, у которых удалены гены этого семейства (так называемые lazy, или «ленивые» мутанты), теряют способность расти вертикально и стелются по земле. Ранее считалось, что это происходит из-за потери гравитационного ориентира: растение просто «падает» и растет горизонтально.
Авторы статьи, опубликованной в журнале PNAS, провели генетический скрининг мутантов модельного растения Arabidopsis, лишенных всех основных генов LAZY. Целью было найти такую дополнительную мутацию, которая «починила» бы сломанный механизм гравитации.
Удалось обнаружить растение, которое, несмотря на отсутствие белков LAZY, снова начало расти вертикально. Генетический анализ показал, что причиной «исцеления» стала мутация в гене, который авторы научной работы назвали SLQ1 (Suppressor of Lazy Quadruple 1). Исследователи изучили структуру белка SLQ1, определили его локализацию в клетке и проверили, как он взаимодействует с гормоном ауксином.
Исследование показало, что «ленивые» растения растут по земле не из-за слабости или потери ориентации, а из-за активной работы белка SLQ1. В отсутствие белков LAZY он перехватывает управление и направляет поток ауксина таким образом, что растение прижимается к почве (положительный гравитропизм).
Выяснилось следующее. В нормальном растении работают обе системы: мощный сигнал LAZY тянет стебель вверх, а более слабый сигнал SLQ1 тянет его вниз. LAZY побеждает, и растение растет вертикально. Белок SLQ1 работает в паре с белком SETH6. Они образуют комплексы в местах контакта эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, влияя на транспорт гормонов.
Самым неожиданным открытием стало то, что при отключении и системы «вверх» (LAZY), и системы «вниз» (SLQ1) растение не потеряло ориентацию полностью. Оно сохранило слабую способность расти вверх. Механизм определения гравитации, независимый от LAZY, еще только предстоит изучить.
Рост растения — это не выполнение одной команды, а динамическое равновесие («перетягивание каната») между противоборствующими молекулярными путями. Изменяя баланс между белками LAZY и SLQ1, растение может точно настраивать угол роста ветвей, что необходимо для создания оптимальной архитектуры кроны. Дальнейшее изучение механизма, независимого от LAZY, может привести к полному пересмотру теории гравитропизма.