Введение
Гидротропизм (гидро – "вода"; тропизм – "непроизвольная ориентация организма, включающая поворот или изгиб в качестве положительного или отрицательного ответа на стимул") – это реакция роста растения, при которой направление роста определяется стимулом или градиентом концентрации воды. Типичным примером является рост корней растения во влажном воздухе, когда они изгибаются в сторону более высокой относительной влажности. Это имеет биологическое значение, поскольку способствует повышению эффективности растения в его экосистеме. Процесс гидротропизма начинается с того, что корневой чехлик воспринимает воду и посылает сигнал в растущую часть корня. Гидротропизм сложно наблюдать в подземных корнях, поскольку они нелегко доступны для наблюдения, а гравитропизм корней обычно оказывает большее влияние, чем гидротропизм. Вода легко перемещается в почве, а содержание воды в ней постоянно меняется, поэтому любые градиенты влажности почвы нестабильны. Исследования гидротропизма корней в основном проводились в лабораторных условиях на корнях, выращенных во влажном воздухе, а не в почве. Экологическое значение гидротропизма для корней, растущих в почве, остается неясным, поскольку лишь немногие исследования гидротропизма были посвящены корням, выращенным в почве. Недавнее обнаружение мутантного растения, лишенного гидротропной реакции, может помочь прояснить его роль в природе. Гидротропизм может быть важен для растений, выращиваемых в космосе, где он может позволить корням ориентироваться в условиях микрогравитации. Считается, что такое поведение развилось миллионы лет назад, когда растения начали осваивать сушу. Хотя эта миграция облегчила поглощение CO2, она значительно уменьшила количество воды, доступной для растений. Таким образом, возникло сильное эволюционное давление в пользу способности находить больше воды.
Механизм
Растения распознают воду в окружающей среде, чтобы поглощать ее для метаболических целей. Молекулы, широко используемые в природе, должны быть восприняты и поглощены для использования этими организмами. У растений вода может быть воспринята и в основном поглощается через корни, преимущественно молодыми тонкими корнями по сравнению с основными или более старыми тонкими корнями, как показано на примере кукурузы в исследовании Варни и Канни. Направление и скорость роста этих корней в сторону воды представляют интерес, поскольку они влияют на эффективность водопоглощения. Ученые знали, что рецепторы корней для большинства стимулов находятся в клетках корневой повязки с момента публикации Дарвином в 1880 году работы «Сила движения растений», в которой он описал свои эксперименты по гравитропизму. В экспериментах Дарвина изучались проростки Vicia faba. Проростки фиксировались булавками, корневые повязки прижигались, и за их ростом наблюдали. Дарвин заметил, что прижженные корневые повязки не росли в направлении какого-либо стимула. Однако, до недавнего времени, лишь в течение последнего десятилетия, ученые обнаружили вероятный рецептор в корневых повязках для сигналов градиентов водного потенциала. Рецептор-подобные киназы (RLK), по-видимому, отвечают за восприятие градиентов водного потенциала благодаря их удачному расположению в клеточных мембранах корневых повязок, а также их взаимодействию и влиянию на тип аквапоринового водного канала, известного как внутренний белок плазменной мембраны (PIP). PIP также обнаруживаются в клеточной мембране и, по-видимому, участвуют в гидравлической проводимости корней. Дитрих предполагает, что сигнал более низкого водного потенциала, вероятно, влияет на взаимодействие между PIP и RLK, что приводит к дифференциальному удлинению и росту клеток из-за потоков абсцизовой кислоты (ABA) и последующих путей ее действия. ABA – это биосинтезированный фитогормон, который, как известно, активен во многих физиологических путях развития клеток растений. Подтверждением путей ABA, приводящих к гидротропным реакциям, служат мутантные штаммы Arabidopsis thaliana, которые не могли биосинтезировать/производить ABA. Было обнаружено, что у мутантов снижены гидротропные реакции, и их рост корней в направлении более высокого водного потенциала не был значительным. Однако после применения ABA наблюдалась усиленная реакция роста корней в направлении более высокого водного потенциала. Кроме того, было установлено, что цитокинины также играют решающую роль. Сообщается, что асимметричное распределение цитокинина в корнях Arabidopsis привело к увеличению производства клеток и, следовательно, увеличению роста корней в ответ на снижение водного потенциала. Это интересно, потому что цитокинин действует антагонистически с ауксином, который является важной частью пути гравитропического ответа. Цитокинины вызывают деградацию белков PIN1, транспортирующих ауксин, что препятствует накоплению ауксина в желаемых областях для гравитропического изгиба. Это позволяет предположить, что гидротропная реакция может противодействовать гравитропическому стремлению двигаться к центру Земли и позволяет корневым системам распространяться в направлении более высокого водного потенциала. Это четко подтверждает идею о том, что цитокинины играют важную роль в гидротропной реакции. Несмотря на значительную поддержку, которую предоставляет этот мутант, гены, ответственные за эти мутации, остаются неизвестными. Было обнаружено, что корни растений обнаруживают местоположение воды, воспринимая вибрации, создаваемые движением воды. Полученные данные подтверждают, что растения будут расти в направлении этих вибраций, вызванных водой. Однако также наблюдается, что растения растут в сторону других источников звука, даже если воды на самом деле нет. Эти результаты также подняли вопрос о том, как растения различают вибрации, создаваемые водой, по сравнению с другими факторами окружающей среды, такими как насекомые или ветер. При воздействии различных звуков были получены статистически значимые результаты, которые показали привлекательную реакцию (корни растут в сторону) на воду или звуки, имитирующие воду, и реакцию избегания (корни растут от источника) (p < 0,002). В заключение, это исследование показало, что гороховые растения действительно реагируют на акустические частоты. До сих пор эти взаимодействия между сигналами не были изучены в достаточной степени, что открывает возможности для будущих исследований.
Последние исследования
Недавние исследования показали значительное участие ауксина, цитокинина, АБК и MIZ1 в гидротропных процессах. Обработка АБК, наряду с облучением синим светом и стрессовыми условиями окружающей среды, повышает экспрессию MIZ1 у растений. Растения *Arabidopsis* нуждаются в MIZ1 для проявления гидротропного поведения в ответ на градиенты влажности. Происхождение растения определяет степень выраженности гидротропизма; в засушливых регионах растения проявляют более выраженную гидротропную активность, а во влажных – менее выраженную. Важность транспорта ауксинов для гидротропизма и гравитропизма гороха была подтверждена в экспериментах с использованием множества ингибиторов ауксинов. Кальций, ауксин и АБК рассматриваются как возможные сигналы, инициирующие гидротропный рост корней.
Неправильные представления
Более интенсивный рост корней в увлажненных зонах почвы, чем в сухих, обычно не обусловлен гидротропизмом. Гидротропизм предполагает изгиб корня из более сухой зоны в более влажную. Корням нужна вода для роста, поэтому корни, случайно оказавшиеся во влажной почве, растут и ветвятся гораздо сильнее, чем корни в сухой почве. Корни не способны ощущать воду внутри целых труб посредством гидротропизма и разрушать их, чтобы добраться до воды. Корни не могут ощущать воду на расстоянии нескольких футов посредством гидротропизма и расти в ее направлении. В лучшем случае гидротропизм, вероятно, действует на расстояниях в несколько миллиметров.