Ei-vaskulaariset sammalet elävät pesäkkeissä, jotka peittävät maan ja muistuttavat pieniä metsiä. Oikeassa metsässä kasvit kilpailevat valosta latvuksen eri kerroksissa. Jos kasvi ei saa tarpeeksi auringonvaloa, se lopettaa sivuhaaroittumisen ja sen sijaan kasvaa pystysuunnassa päästäkseen auringonvaloon.
Itävallan tiedeakatemian Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology (GMI) -instituutin tutkijat havaitsivat, että maksamato Marchantia polymorpha, jonka kasvirunko eroaa olennaisesti vaskulaaristen kasvien rungosta, myös mukauttaa arkkitehtuuriaan vasteena varjolle. Nämä uudet oivallukset haaroittumista ohjaavien geneettisten reittien kehityksestä julkaistiin vuonna Current Biology.
Metsät on tehty monikerroksisista latvuksista, joissa puut ja muut kasvit kilpailevat valosta. Riittämätön auringonvalo saa kasvit säätelemään haarautumiskuvioitaan pystysuoran kasvun edistämiseksi. Kasvit havaitsevat eron suora auringonvalo ja varjostavat fytokromit, fotoreseptorit, joita on yleisesti läsnä kasvikunta, levistä sammalista kukkiviin kasveihin.
"Olemme pitkään tienneet, että fytokromit kehottavat vaskulaarisia kasveja lopettamaan kasvun sivusuunnassa ja kasvamaan sen sijaan pystysuunnassa välttääkseen varjostavan naapurin tai kasvaakseen sen ulkopuolelle", sanoo ensimmäinen kirjoittaja Susanna Streubel, entinen tutkijatohtori GMI:n Dolan-ryhmässä. Uusia oksia varren varrella tuotetaan lateraalisista meristeemeistä, kasvien kantasolujen generatiivisista keskuksista, jotka suosivat lateraalista kasvua. "Tämä reaktio varjoon edellyttää, että lateraalimeristeemien toiminta pysäytetään."
Maksamatot vähentävät haarautumista varjossa
Tutkijat olettivat, että maksamatoilla, ei-vaskulaarisilla sammalilla, joiden oletetaan muistuttavan varhaisimpia maata kolonisoivia kasveja, on myös mekanismi mukauttaa haarautumiskuvionsa muuttuviin valoolosuhteet. Verisuonikasvien tavoin niillä on meristeemejä ja ne pystyvät haarautumaan. Toisin kuin verisuonikasveilla, jotka haarautuvat sivusuunnassa kärjen tai kärjen alapuolella, sammalet haarautuvat vain kärjessä mekanismissa, jota kutsutaan dikotomiseksi haarautumiseksi.
Tutkijat määrittelivät maksamatot fenotyypin ja havaitsivat, että täysivalkoisessa valossa litteä maksamato, joka tunnetaan myös nimellä talli, haarautui säännöllisesti. ”Simuloidussa varjossa monet maksamakkameristeemit kasvun pääakselilla jäivät kuitenkin lepotilaan eivätkä tuottaneet oksia. Siten talluksessa ilmeni varjon välttämisen piirteitä”, Streubel sanoo. Koska maksamatot käyttävät myös fytokromeja, tutkijat analysoivat fytokromiin ja fytokromiin liittyviin geeneihin vaikuttavia mutaatioita. He osoittivat, että samoin kuin verisuonikasveilla, fytokromisignalointireitti ohjaa varjoa välttävää vastetta maksamatoissa.
Molekyylisäätelyn itsenäinen kehitys?
Dolan ja hänen tiiminsä etsivät lisää geneettisiä säätelijöitä dikotomiin haarautumiseen ja meristeemiaktiivisuuteen M. polymorphassa. Tutkimalla geenien ilmentymismalleja täydessä valkoisessa valossa vs. sävy, he havaitsivat, että MpSPL1-nimisellä transkriptiotekijällä ja maksamatospesifisellä mikroRNA:lla (miRNA) on vastakkaisia vaikutuksia meristeemien toimintaan: MpSPL1 on välttämätön meristeemien tekemiseksi lepotilaksi, kun taas maksamatospesifinen miRNA aktivoi ne.
Nämä tulokset ovat osittain ristiriidassa tunnetun valon säätelemän sivuhaaroitumisen molekyylimekanismin kanssa Arabidopsis thalianassa, joka on eniten tutkittu vaskulaaristen kasvien malli. Itse asiassa, vaikka geenit, jotka säätelevät valosäädeltyä haarautumista Arabidopsiksessa, kuuluvat myös SPL-perheeseen ja ovat miRNA:iden kohteita, ne ovat evoluutionaalisesti etäällä nyt maksamatossa tunnistetuista geenistä.
Näiden tulosten perusteella ryhmä spekuloi, että haarautumista säätelevät molekyylimekanismit ovat saattaneet kehittyä itsenäisesti sammalissa ja verisuonikasvit. "Kaiken kaikkiaan löydöksemme osoittavat, että osittain konservoitunut fytokromin säätelemän miRNA- ja SPL-geeniaktiivisuuden mekanismi hallitsee haarautumista täysin erilaisissa maaperheissä. kasvit pohjimmiltaan erilaisilla haarautumistavoilla”, sanoo GMI-ryhmän johtaja Liam Dolan, tutkimuksen vastaava kirjoittaja.