Выходя на сушу, растения справились с повышенной силой тяжести с помощью генетических инструментов, влияющих на эффективность фотосинтеза.

Нынешние наземные растения когда-то произошли от водорослеподобных предков, живших в древних морях и океанах – произошло это около 500 млн лет назад. Осваиваясь на суше, они решали массу проблем с собственной анатомией и физиологией; проще говоря, им нужно было приспособиться к совсем другой среде обитания. Например, воду и минеральные питательные вещества теперь нужно было брать не из окружающей воды, а из почвы, то есть нужно было соответствующим образом развивать корни, которые заодно помогали удержаться на месте. Корни должны расти вниз, а чтобы они росли вниз, нужно научить их чувствовать силу тяжести.

Мох Physcomitrella (Physcomitrium) patens. (Фото: rambryum / iNaturalist) 

Надземные же части должны расти так, чтобы ловить достаточно света для фотосинтеза. При этом они отрываются от земли, и тут возникает проблема, как удержать самих себя на весу. Пока «прарастения» оставались в воде, она их поддерживала, но на суше воздух их поддержать не может, и сила тяжести клонит их к земле. Тут им понадобились структурные ухищрения, чтобы не падать, и одно из самых главных ухищрений – толстая клеточная стенка. Но чем толще стенка у клетки, тем трудней в неё будет проникать углекислый газ, который тоже необходим для фотосинтеза. Может быть, нужно утолщать стенку не у всех клеток, а только у некоторых; может быть, нужно предусмотреть какие-то специальные механизмы, которые будут облегчать поступление СО₂ туда, где идёт фотосинтез; наконец, можно повысить эффективность использования СО₂, чтобы усилить его приток. Эволюционные исследования помогают понять, что происходило с растениями, которые должны были стать крепкими и устойчивыми и одновременно сохранить эффективный фотосинтез. Но задействованные тут молекулярно-генетические механизмы оставались во многом неясными.

Некоторое время назад сотрудники Технологического института Киото и Университета Хоккайдо экспериментировали со мхом Physcomitrella patens, устраивая ему гравитационную перегрузку: мох рос в специальной центрифуге, которая создавала силу тяжести, превышающую земную в несколько раз. Мох в таких условиях начинал фотосинтезировать активнее, и в новой статье, опубликованной в Science, те же исследователи пишут подробнее о том, что происходит с растением, когда оно начинает сильнее ощущать гравитацию. Тот же мох два месяца рос центрифуге, в которой ускорение свободного падения g менялось от 1g (обычная сила тяжести «на воздухе») до 3g, 6g и 10g. При 6g и 10g у мха заметно усиливался фотосинтез, что можно было оценить по потоку углекислого газа в зелёные фотосинтезирующие части растения. Этих зелёных частей у мхов при высокой силе тяжести становилось больше, одновременно увеличивались в размере хлоропласты – фотосинтезирующие органеллы, которые как раз и работают с СО₂. То есть общий поток углекислого газа в мох усиливался потому, что у растений становилось больше фотосинтетических производственных мощностей.

Кроме того, исследователи анализировали работу растительных генов – некоторые из них, отвечающие за рост, развитие и реакцию на стресс, становились заметно активнее при повышенной силе тяжести. Особое внимание привлёк один из таких генов, IBSH1. Если его активность искусственно стимулировали при обычном g, мох вёл себя как при повышенном g, и наоборот – если активность IBSH1 подавляли, то при повышенном g мох вёл себя так, как будто g остаётся обычным земным, и никаких изменений в хлоропластах и побегах у растений не возникало. 

Авторы работы полагают, что IBSH1 и другие гены, работающие с ним в общей команде, были тем молекулярно-генетическим инструментом (по крайней мере, одним из таких инструментов), который помог выходящим на сушу растениям справиться с гравитационными проблемами. Может быть, манипулируя IBSH1, можно добиться больше продуктивности не только у мхов, но и у других растений, однако насколько такой подход эффективен с практической точки зрения, станет ясно только после дальнейших экспериментов.