Vědecký tým z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy popsal rychlou reakci rostlinných kořenů na fytohormon auxin, která řídí růst kořene ve směru gravitačního pole. Vědci výsledky publikovali v prestižním odborném časopise Nature Plants. „Kořeny rostlin rostou směrem dolů, podle směru gravitace. V naší laboratoři zkoumáme gravitropismus – schopnost kořenů rostlin interpretovat směr gravitace, ve které se nachází a podle toho měnit směr růstu,“ popisuje rostlinný biolog a vedoucí týmu Matyáš Fendrych.
Optický řez kořenovou špičkou modelové rostliny huseníčku (Arabidopsis thaliana), ve které jsou buňky zvýrazněny podle membránového potenciálu; čím silnější signál, tím depolarizovanější plazmatická membrána. Foto: Nelson BC Serre.
Centrem pro vnímání gravitace je takzvaná kořenová čepička na úplné špičce kořene. Samotná reakce na gravitaci však v kořenu probíhá na jiném místě, v elongační zóně. Aby dokázala rostlina správně zareagovat, musí být tato dvě místa informačně propojena, což se děje prostřednictvím rostlinného hormonu auxinu.
|
Auxin a rostlinné tropismy |
„Víme, že rostlina detekuje směr gravitace pomocí přesýpacích škrobových zrn v kořenové čepičce a spojení s elongační zónou zajišťuje fytohormon auxin, ale stále zde zůstává mnoho neznámých,“ popisuje pro magazín Forum Fendrych. Když kořenová špička zjistí, že se změnil směr gravitace – když kořen špatně zatočí, vyšle auxinový signál na spodní stranu kořene, který tamním buňkám „řekne“, že mají přestat růst a kořen tak může změnit směr svého růstu.
„Stále ale přesně nevíme, jak tato detekce směru gravitace probíhá na molekulární úrovni, jaká je další signalizace. Během své předchozí práce v IST (Institute for Science and Technology) v Klosterneuburgu v Rakousku jsem zjistil, že reakce buněk na auxin dokáže být nečekaně rychlá, což není v souladu s tím, jak chápeme tradiční auxinovou signální dráhu. Naším cílem je na molekulární úrovni pochopit mechanismus rychlé odpovědi na auxin,“ popisuje Fendrych aktuální směr výzkumů své laboratoře, jež je podpořena prestižním grantem Evropské výzkumné rady (ERC).
Tradiční teorie odpovědi buněk na auxin popisuje vazbu auxinu na receptor, což spustí kaskádu molekulárních procesů. Jejich výsledkem je transkripce (přepsání) některých genů a následná reakce buňky, což ale zabere přinejmenším pět minut. Tým vědců z Přírodovědecké fakulty UK ve spolupráci s vědci z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze (VŠCHT) a University of Tasmania teď popsali vliv auxinu na membránový potenciál buněk.
„Již několik dřívějších prací ukázalo se, že přítomnost auxinu dokáže také proměňovat poměr náboje na membráně, takzvaně ji depolarizovat, a tím ovlivnit membránový transport, což má výrazný efekt na další procesy jako transport živin nebo komunikaci mezi buňkami. Doposud ale nikdo nezjišťoval, proč se to vlastně děje a jaký význam má depolarizace pro gravitropismus kořene,“ popisuje Fendrych.
Matyáš Fendrych (vlevo) a postdoc Nelson Serre.
Pro studium vědci použili novou mikroskopickou techniku, která umožňuje sledovat a kvantifikovat změnu membránového potenciálu v reálném čase a bez poškození kořene. „K nové metodě jsem byl původně skeptický, nevěřil jsem, že by to mohlo fungovat. Nelsonovi se to ale podařilo,“ chválí vedoucí skupiny. Postdoktorand Nelson Serre, takzvaně první autor nové studie v Nature Plants, využil fluorescenční spinning disk mikroskop, který je speciálně upraven, aby bylo možné sledovat růst a chování kořenů v reálném čase. S pomocí speciálního fluorescenčního barviva, které se chová jako senzor membránového potenciálu, pak mohl nejen sledovat, jak membránový potenciál buněk napříč celým kořenem odpovídá na auxin, ale i proces přesně kvantifikovat.
„Problém měření potenciálu, k němuž bylo dříve třeba použít elektrody, jsme díky tomuto přístupu dokázali proměnit v problém, který lze řešit pomocí mikroskopu. Takto lze pozorovat a kvantifikovat tyto procesy přímo v živé rostlině, aniž by bylo nezbytné ji narušovat. Tato práce umožnila měřit membránový potenciál buněk napříč celým kořenem a jeho změny v čase. Rostliny, ač na pohled statické, neustále monitorují okolní prostředí a velmi rychle reagují na jeho změny. Depolarizace buněčné membrány během gravitropismu je tohoto fascinujícím příkladem,“ vysvětluje postdok Nelson Serre.
„Velkým přínosem naší práce byla kvantifikace mikroskopických dat a jejich dynamiky v čase. Nová metoda může být užitečná i pro další vědce, kteří z mikroskopických obrázků mohou získat přesná data o tom, co přesně se v rostlině děje na buněčné a molekulární úrovni,“ uzavírá Matyáš Fendrych, jenž má v časopise Nature Plants několikátý článek - a letos po květnovém už druhý.
