Растения зря считают бесчувственными. Стрессы приводят к тому, что они становятся мелкими и неказистыми. Английские ученые выяснили, почему постоянные унижения превращают большие деревья в крохотные бонсаи.
Многие растения за время своего существования адаптировались к довольно суровым условиям, таким как холод, засуха или прожорливость травоядных животных. Однако неблагоприятное воздействие окружающей среды вызывает у растений стресс, из-за которого замедляется их рост. Ученые подсчитали, что примерно 22% урожая мировая агропромышленность теряет за счет эффекта бонсая, как назвали его английские исследователи. Японское искусство бонсай основано на уменьшении размеров растения за счет стресса -- регулярных подрезок и специальных повреждений ствола и листьев. Размер некоторых бонсаев может составлять всего лишь 5% от нормального размера растения того же вида в природе. Причем это относится не только к общему размеру дерева, но и к размеру отдельных его частей -- листьев, ветвей, ствола.
Несмотря на широкую известность этого эффекта, механизм его не очень понятен. Дело в том, что рост побегов и листьев растения обеспечивается делением инициальных клеток -- растительных аналогов клеток стволовых. Эти клетки находятся в специальных образовательных тканях -- меристемах. Именно за счет их деления растение увеличивается в размерах и приобретает новые листья и побеги. Островки меристемы расположены на верхушках побегов, у кончиков корней и в некоторых других местах. Однако рост растения замедляется, если травмировать уже взрослые листья или побеги. То есть когда прямого воздействия на образовательную ткань не происходит.
Жасмонаты
Йи Жанг (Yi Zhang) и Джон Тернер (John G. Turner) из Университета Восточной Англии (University of East Anglia, UK) решили выяснить, как же связаны стресс и развитие растения. Они предположили, что ключевую роль в этом эффекте играют жасмонаты -- жасминовая кислота и ее соединения. Жасминовая кислота была впервые выделена из эфирного масла жасмина крупноцветкового (Jasminum grandiflorum), именно ее соединения отвечают за характерный приятный запах жасмина. Собственно, то, что при внешнем воздействии в растении начинается быстрый синтез жасмонатов -- такой своеобразный вопль о помощи, -- было известно. При этом растение прекращает синтез не жизненно необходимых веществ, а его устойчивость к нападениям вредителей или ко внешнему воздействию ядов усиливается. Предполагалось, что эффект бонсая также связан с действием жасмонатов. Английские ученые решили выяснить, действительно ли уменьшение роста связано с повышенным содержанием этого соединения. И если да, то каков механизм данного эффекта.
Резаный эксперимент
С кленами и соснами английские исследователи решили не возиться -- такой эксперимент грозил затянуться на долгие годы. Поэтому в качестве модельного растения Жанг и Тернер выбрали резушку, или резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana). К тому же это растение семейства крестоцветных -- распространенный модельный объект для различных биологических исследований, ведь его геном практически полностью расшифрован.
Для начала ученые высадили резушку в грунт. Когда она проросла, часть растений стали периодически травмировать специальным пинцетом, оставляя на листьях по пять-шесть продолговатых ранок. В течение десяти дней ученые ранили по одному листу. Через 21 день они исследовали растения, которые подвергались внешнему стрессу, и сравнили их с контрольными. Оказалось, что листья пострадавших Arabidopsis в два раза меньше, а содержание в них жасмонатов примерно в семь раз выше. Англичане пришли к выводу, что уменьшение размеров объясняется именно замедлением деления клеток, ведь их размер при этом оставался постоянным.
Ученые проверили свои наблюдения и на другом модельном растении -- табаке Бентхама (Nicotiana benthamiana). Целую неделю они травмировали в день по листу. Через месяц площадь листьев растений, которые были подвергнуты стрессу, стала вдвое меньше, чем у нормальных.
Однако, предположили исследователи, повышенное содержание жасмонатов и одновременное замедление роста могут быть совпадением, а механизм эффекта бонсая на самом деле иной. Поэтому ученые пошли дальше. Они исследовали так называемые нокаутные резушки Таля -- в таких растениях отключены гены, отвечающие за производство жасмонатов или за отклик на его действие. Оказалось, что такие растения не реагируют на ежедневные ранения -- растут так же, как контрольные. Причем в тех экземплярах, где заблокированы гены восприятия жасмонатов, содержание этих веществ увеличивалось, что никак не сказывалось на размере резуховидок. Можно сказать, что они оказались стрессоустойчивыми. Эксперимент подтвердил, что жасмонаты действительно подавляют митоз -- деление клеток, за счет которого и происходит рост растения.
О происхождении этого механизма ученые пишут следующее: «Наверняка существуют преимущества в естественном отборе растений, рост которых замедляется при стрессе. Возможно, такая реакция позволяет растению более гибко регулировать свой жизненный цикл -- уменьшать количество клеток, когда уменьшается количество и доступность ресурсов». Результаты исследования, возможно, помогут биоинженерам создать новые сорта культурных растений с большими плодами и побегами. А вот любители бонсая будут знать, какие именно гены подопытных деревьев им нужно беречь.
