Kořeny rostlin záhadně pulzují a my nevíme proč / Habr

Pravděpodobně na kořeny rostlin moc často nemyslíte, protože jsou skryté pod zemí. Přesto neustále mění svět. A stejné je to i ve vaší zahradě, kde rostliny používají neviditelné mechanismy k nekonečnému růstu.

Asi před 15 lety vědci zjistili, že geny na špičce kořene (přesněji řečeno, hladiny proteinů produkovaných některými geny) jako by pulzovaly. Toto je stále záhadou, ale nedávný výzkum nám do této problematiky přináší nové poznatky.

Víme, že tyto výkyvy jsou základním mechanismem růstu kořenů. Lepší pochopení tohoto procesu by mohlo pomoci zemědělcům a vědcům vyvinout nebo vybrat nejlepší rostliny pro pěstování v různých typech půdy a podnebí. Nyní, kdy stále extrémnější povětrnostní podmínky, jako jsou sucha a záplavy, ničí plodiny po celém světě, je pochopení toho, jak rostliny rostou, důležitější než kdy jindy.

Abychom pochopili, jak rostliny rostou, musíme se podívat na procesy, které probíhají uvnitř buněk. Uvnitř buněk neustále probíhá řada chemických reakcí a změn genové aktivity.

Některé z těchto reakcí se spouštějí v reakci na vnější signály, jako jsou změny světla, teploty nebo dostupnosti živin. Mnohé z nich jsou však součástí vývojového programu každé rostliny, zakódovaného v jejích genech.

Některé z těchto buněčných procesů pravidelně oscilují: určité skupiny molekul se rytmicky objevují a mizí každých několik hodin. Nejznámějším příkladem jsou cirkadiánní rytmy, vnitřní hodiny rostlin a živočichů (včetně lidí).

Přírodní cykly

V přírodě existuje mnoho dalších příkladů spontánních oscilací. Některé jsou rychlé, jako je srdeční tep nebo mitotický buněčný cyklus. Jiné, jako je menstruační cyklus a hibernace, jsou pomalé.

Nejčastěji je lze vysvětlit přítomností negativní zpětné vazby. V tomto případě proces spustí řadu událostí, které následně potlačí právě tu aktivitu, kterou spustil. Zřejmě tak dochází k pulzaci růstu kořenů.

Brzy poté, co byla objevena oscilace genů kořenové špičky, si vědci všimli, že tato pulzace zanechává neviditelnou stopu. Objevili to pomocí fluorescenčních markerů viditelných pod mikroskopem. Tyto značky zůstávají v místech, kde může kořen růst do stran. To znamená, že slouží jako pravidelný signál, který způsobuje, že kořenový systém nabývá svého tvaru.

Příčina jeho výskytu není v současnosti známa, ačkoli vědci již vyloučili teorii, že by to mohlo být způsobeno cirkadiánními výkyvy.

Je známo, že do tohoto procesu je zapojeno mnoho zpětnovazebních smyček. Zdá se, že v tomto procesu hraje klíčovou roli rostlinný hormon zvaný auxin. Probouzí určité geny, které kódují proteiny, například ty potřebné pro růst. Charles Darwin vyslovil hypotézu o existenci auxinu a jeho chemická struktura byla potvrzena asi před 100 lety.

Geny, které se kymácejí, jsou „cíli“ auxinu. Když auxin vstoupí do buňky, tyto cílové geny se stanou aktivnějšími. Některé z těchto genů souvisejí s růstem, ale ne všechny. Auxin způsobuje odstranění „represorů“, proteinů, které mohou blokovat genovou aktivitu. I zvířata mají ve svých buňkách represory.

Ale tyto represory jsou aktivovány geny, které blokují. Je možné, že právě tato zpětnovazební smyčka způsobuje oscilace, které pozorujeme, ale jistě to nevíme.

Víme, že auxin se pohybuje z buňky do buňky prostřednictvím komplexní sítě transportních proteinů. Způsob, jakým proteiny směrují pohyb do částí buněk, závisí na hladině samotného auxinu v prostředí. Toto je další zpětnovazební smyčka. Pulzace nastává v rostoucích kořenech, kde se buňky na špičce neustále dělí v důsledku buněčného cyklu (který zahrnuje samostatné zpětnovazební smyčky).

To je ale hádanka!

Vědci se často obracejí k matematice, aby vysvětlili, co se děje. Výzkumníci používají geometrii ke studiu viditelných částí rostlin již od starověku. Obor matematiky zvaný teorie dynamických systémů, vyvinutý v 19. století, poskytl vědcům určité objasnění ohledně toho, proč se kořeny rostlin kymácejí. Vědci využili nástroje této teorie k ukázání, jak kola buněčného dělení ovlivňují vzorce auxinu.

Pokud by tyto cykly buněčného dělení byly dobře synchronizované, mohli bychom ukázat, že by to teoreticky vedlo k pravidelnému pulzování auxinu. To ale hádanku neřeší, protože buňky se obvykle nedělí všechny současně, a proto by pulzování auxinu bylo poměrně nepravidelné.

Když můj tým zkoumal fluorescenční auxinové markery pod mikroskopem, zjistili jsme nedostatek pravidelnosti v auxinu v částech kořene, kde jeho cílové geny pravidelně oscilují. To naznačuje, že oscilace genů kořenové špičky mohou souviset s růstem kořene, ale nevyskytují se současně s dělením kořenových kmenových buněk.

I když tato záhada stále zůstává nevyřešena, jsme nyní lépe vybaveni k jejímu rozluštění. Odpověď pravděpodobně nespočívá v žádném jednotlivém procesu, ale v interakci různých procesů. Známe klíčové hráče, ale pravidla hry, která hrají, teprve uvidíme.

• Populární věda
• Biologie