Корень молодого растения обычно уходит в почву, а стебель направляется вверх. Это происходит даже тогда, когда семя прорастает в полной темноте. Растению не нужны глаза или нервная система: направление роста задают клетки, которые воспринимают силу тяжести и передают химические сигналы соседним тканям. Этот механизм называется гравитропизмом.
Фото: Sebastian Schuster / Unsplash.
После прорастания семени корешку необходимо закрепиться в грунте и начать поглощать воду и растворённые минеральные вещества. Побег, напротив, должен выйти к поверхности, где при наличии света сможет начаться активный фотосинтез. Поэтому корни и надземные органы одного растения обычно реагируют на силу тяжести противоположным образом. Рост по направлению действия силы тяжести называют положительным гравитропизмом, а рост в противоположную сторону — отрицательным.
Важная часть системы ориентации корня находится в его кончике. Здесь располагается корневой чехлик, защищающий чувствительные ткани при продвижении через почву. В некоторых клетках чехлика присутствуют амилопласты — относительно тяжёлые структуры, содержащие крахмал. Их также называют статолитами. Если корень меняет положение, эти структуры смещаются к новой нижней стороне клеток. Так растение получает информацию о том, где теперь находится низ.
Само перемещение статолитов не изгибает корень механически. Оно запускает клеточные сигналы, влияющие на распределение растительного гормона ауксина. Когда корень оказывается наклонён, ауксин перераспределяется неравномерно. В зоне удлинения клеток его повышенная концентрация на нижней стороне обычно замедляет растяжение клеток. На верхней стороне удлинение идёт быстрее, поэтому корень постепенно изгибается вниз.
Для стеблей действие ауксина в этой ситуации иное: его повышенное содержание на нижней стороне может усиливать удлинение клеток. В результате побег выпрямляется вверх. Это объясняет знакомую картину: если положить проросток набок, через некоторое время его корень начнёт менять направление в одну сторону, а стебель — в другую. Скорость реакции зависит от вида растения, возраста тканей и условий выращивания.
Свет для запуска такой реакции не обязателен. При прорастании в темноте растение всё равно способно различать верх и низ по гравитационному сигналу. При этом направление роста в природе определяется не только тяжестью. Корни могут реагировать на влажность, доступность кислорода, плотность грунта и препятствия. Поэтому боковые корни не всегда уходят строго вертикально: многие разрастаются в стороны, осваивая почву вокруг растения.
Учёные проверяют работу этой системы в космосе. В экспериментах на Международной космической станции изучают, как корни и побеги развиваются в условиях микрогравитации, когда привычный направляющий сигнал становится слабее. NASA отмечает, что статолиты играют важную роль, но исследования мутантных растений показывают: возможны и дополнительные способы восприятия тяжести. Следовательно, биологическая система сложнее одного «датчика» внутри клетки.
Гравитропизм помогает растению сохранять ориентацию после наклона, пересадки или появления всходов из семени, лежащего в почве под случайным углом. Но это не означает, что все корни обязательно растут только вниз. Их конечная форма возникает из сочетания внутренних программ развития и нескольких сигналов окружающей среды. Именно поэтому корневая система способна одновременно удерживать растение и находить ресурсы в разных слоях грунта.