Как влияет гравитация на рост растений

Обновлено: 07.07.2024

Поместив семена огурцов в специально разработанные контейнеры, ученые снова отправили их на орбиту. Одна группа растений развивалась здесь в обычных условиях микрогравитации, а вторая – при не слишком быстром центрифугировании, которое имитировало слабую (1g) гравитацию. Эксперимент продолжался всего два часа, после чего начавшие рост семена космонавты фиксировали в сложном растворе на основе спирта и возвращали на Землю.

Здесь Такахаси с коллегами сравнили состояние тех и других растений, прокрасив их ткани на наличие CsPIN1 и выяснив расположение этого белка в клетках. Оказалось, что под действием гравитации CsPIN1 перемещается в переходную зону между корешком и гипокотилем (промежуточной областью между корнем и стеблем). По словам ученых, это заставляет клетки формировать транспортный канал, по которому гормоны роста могут перемещаться из одной части растения в другое и управлять его развитием в соответствии с гравитацией.

Существует устоявшееся мнение, что земная гравитация определенным образом влияет на рост растений. В частности, что от нее зависят искривления, перекосы и общее направление роста корней. Однако теперь на Международной космической станции вырастили несколько экземпляров растений в условиях нулевой гравитации и доказали, что это не так. Согласно исследованию, результаты которого опубликованы в журнале BMC Plant Biology, определенные формы корни принимают независимо от силы тяжести.

Чтобы узнать, что происходит на самом деле, исследовательская группа из университета Флориды, США, вырастили два вида Arabidopsis в специальной камере на МКС, где каждые 6 часов делались снимки. В режиме реального времени эти снимки отправлялись в космический центр Кеннеди. На Земле в то же время выращивались контрольные растения.

Явление отрицательного фототропизма в корнях хорошо документировано, но его роль в ориентировании роста корней еще в стадии изучения. Оказалось, что в присутствии направленного света корни, растущие в космосе, проявляют отрицательный фототропизм довольно явно – то есть, нормально растут в направлении, противоположном росту побегов. Сам вид корней остается характерным для земных растений. И каждый сорт растений, выращенных на орбите, сохраняет свою собственную уникальную модель земных перекосов.

Ведущие авторы Анна-Лиза Пол и Роберт Ферл отметили: "Абсолютно ясно, что гравитация – не единственный фактор, влияющий на рост корней, даже несмотря на то, что на поверхности Земли растения используют силу тяжести. Похоже, для того чтобы росток мог "убедится", что он растет правильно и имеет шансы найти свет и воду, он опирается на какие-то другие факторы".

Гравитация неотъемлема для всех организмов на Земле. Она влияет на каждый аспект нашей физиологии, поведения и развития — независимо от того, что вы такое, вы развиваетесь в среде, которая тесно уходит гравитационными корнями в землю. Но что произойдет, если вы откажетесь от привычной среды и окажетесь в ситуации за пределами эволюционного опыта? Биологи, выращивающие растения в лаборатории, частенько задаются таким вопросом. Эксперименты начинаются на земле, но постепенно переходят в космос. Что может быть новее для растения, чем условия микрогравитации в космосе?

Изучая, как растения реагируют на жизнь в космосе, мы можем узнать больше о том, как они приспосабливаются к изменениям окружающей среды. Растения не только имеют важное значение для земной жизни; они также могут быть важными для нашего освоения Вселенной. Пока мы готовимся к будущей колонизации, нам важно понять, как наши растения могут приспособиться к жизни на других планетах, ведь именно они могут стать неизменным источником еды, воды и воздуха для будущих колонистов.

Таким образом, даже пока мы находимся на земле, на борту той же Международной космической станции исследования идут полным ходом. Они уже преподнесли нам несколько сюрпризов на тему роста в условиях микрогравитации и изменили наше мышление о росте растений на Земле.

Учиться безмятежности растений

Растения хорошо подходят для изучения экологической напряженности. Поскольку они торчат в одном месте — биологи называют такие организмы сессильными, — растениям приходится с умом подходить ко всему, что окружающая среда им преподносит. Переехать в более удачное место не получится, изменить окружающую среду тоже.

Пока на Земле изучают растения, сами растения находятся в космосе

Космический полет требует специальных камер для роста, специальных инструментов для наблюдения и сбора образцов и, конечно, специальных людей, которые позаботятся о проведении эксперимента на орбите.

Типичный эксперимент начинается на Земле в лаборатории с высадки спящих семян арабидопсиса в чашках Петри с питательным гелем. Этот гель (в отличие от почвы) держится на месте в невесомости и предоставляет растению необходимую воду и питательные вещества. Эти растения затем оборачиваются темной тканью, доставляются в космический центр Кеннеди и загружаются в капсулу Dragon на вершине ракеты Falcon 9, которая летит на МКС.

После стыковки астронавт загружает чашки в оборудование для выращивания растений. Свет стимулирует семена раскрыться, камеры постоянно записывают процесс всхода ростков, и в конце эксперимента астронавт собирает 12-дневные растения и сохраняет их в консервационных тубах.

По возвращении на Землю мы можем сколько угодно экспериментировать с сохраненными образцами, изучать их уникальные процессы метаболизма, которые протекали на орбите.

Собирая плоды

Но корни выросли с перекосом и без гравитации. В 2010 году мы увидели, что корни растений, выращенных на МКС, преодолели весь путь по поверхности чашки Петри с идеальным перекосом корней — без какой-либо гравитации. Это было сюрпризом. Очевидно, не гравитация стоит за паттерном роста корней.

Выяснилось, что да, свет очень важен, но не только свет — должен быть градиент интенсивности света, тогда он будет выступать в качестве ценного руководства. Представьте его как хороший запах: вы можете с закрытыми глазами найти на кухне источник запаха, если духовка с печеньем только открылась, но если весь дом будет в равной степени утоплен в аромате шоколадного печенья, вы вряд ли его найдете.

Настройка метаболизма на лету

Светящиеся растения позволяют нам узнать, какие гены активны, поэтому мы можем сказать, какие белки производятся.

Мы нашли ряд генов, вовлеченных в производство и реконструкцию клеточных стенок, которые по-другому экспрессируются у выращенных в космосе растений. Другие гены, чувствительные к свету, — которые обычно экспрессируются в листьях на Земле — экспрессировались в корнях на МКС. В листьях оказались репрессированы многие гены сигнализации фитогормона, а гены, отвечающие за защиту от насекомых, оказались более активными. Эти схемы генов и белков кое о чем сообщают: в условиях микрогравитации растения ослабляют клеточные стенки и вырабатывают новые способы чувствовать окружение.

Взгляд из космоса

Такого рода исследование дает нам новое понимание того, как растение воспринимает и реагирует на внешние раздражители на фундаментальном, молекулярном уровне. Чем больше мы узнаем о том, как растение реагирует на новые и экстремальные условия, тем больше мы знаем о том, как растение будет реагировать на изменение условий и здесь, на Земле.

Конечно же, наши исследования в этой области вносят вклад в коллективные усилия по выведению биологии за пределы планеты. Тот факт, что гравитация не так важна для растений, как мы когда-то считали, это приятная новость для перспектив разведения культур на других планетах с низкой гравитацией и даже на кораблях вообще без гравитации. Люди готовы покинуть планету, и когда мы покинем орбиту Земли, будьте уверены, с нами будут растения.

Корень вопроса. Растения в космических условиях

гравитация,

корень,

планета,

растения

Придет ли то время, когда мы будем сеять пшеницу на другой планете? Возможно! Ученые проводили исследования, которые основывались на поведении растений в космосе. Как ведут себя растения, когда на них влияет гравитация? Растения, как и животные, обладают поведением, они чувствительны к изменениям окружающей среды, например, температуры, света, силы тяжести. Растения могут определять свое положение в пространстве!

Гравитация: растению маленький шаг, а ученому открытие

Опытное растение Arabidopsisthaliana, которое растет в вертикальном положении (А), при гравистимуляции (Б).

Что происходит с корнями? Растениям намного проще удерживать положение, закрепляясь в грунте, а не в воде или в воздухе. Почва является для них богатой питательной средой. Корни растения всегда стремятся к источнику воды. Поэтому возникает положительный гравитропизм. Но существует другой вид гравитропизма, он менее известный, но интересный для проведения исследований. Другой вид – способность формировать изгибы в ответ на изменение положения в пространстве. Иначе такое явление называется – гравиотропические изгибы.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета под руководством Григория Пожванова проводили опыты над арабидопсисом или резуховидкой Таля. Растение было выращено в специальной прозрачной емкости, чтобы за поведением корня можно было наблюдать. Молодое растение в горшке положили горизонтально и, уже через 6-7 часов корешок стал стремиться вниз, а стебель изгибаться и тянуться вверх.

Достижения арабидопсиса в космосе

Когда корень растения под землей встречает препятствие, например, камень или твердую породу, то корень огибает препятствие и снова растет вниз. Это называется процессом углового смещения. Так ведет себя корень растения на Земле, но исследователям из Флориды посчастливилось наблюдать за поведением растения в космосе.

На орбите Земли сила притяжения не действует. Молодые растения арабидопсиса посадили в специальные емкости и установили за ними видео и фотонаблюдение. На протяжении 15 дней каждые шесть часов камера делала снимок. Полученные данные предавались в Центр космических исследований на Землю, где молодые арабсидопсисы проходили такое же испытание, но только под действием земной гравитации.

Арабидопсис хорошо приспособился к состоянию невесомости, молодые побеги почти ничем не отличались от земных. Корень продолжал расти вниз! Как? Ответ прост, молодое растение использовало свет для определения своего положения в пространстве, там, где светло – верх, а где темно – низ. Корни также огибали препятствия, но у космических арабсидопсисов отклонения корня были сильнее. Получается, что гравитация никак не влияет на завивание корней растений.

Арабидопсис на Земле и в космосе

Органы чувств растений

Корневой статоцит (вертикальное положение). А — проксимальная часть клетки (расположена ближе к центру). В — дистальная часть клетки (находится на периферии). 1 — клеточная стенка, 2 — эндоплазматический ретикулум, 3 — плазмодесма, 4 — ядро, 5 — митохондрия, 6 — цитоплазма, 7 — статолит, 8 — корень, 9 — корневой чехлик, 10 — статоцит.

Как растение определяет верх и низ? Человеку просто. Но природа не обошла растения стороной и дала специальные группы-клеток – статоциты. Статоциты содержат определенные тяжелые структуры, которые быстро оседают под действием силы притяжения. Образования называются статолитами. Если растение пригнуть к земле, то статолиты осаждаются под воздействием силы притяжения, и появляются новые низ и верх. Низ будет там, где расположились статолиты. Затем начинаются химические реакции, которые преобразовывают осаждение статолитов в биохимический процесс, он, в свою очередь, дает гравиотропический ответ.

Читайте также: