Гравитропизм можно определить как направленный рост органов растения относительно вектора силы тяжести. Для побегов характерен отрицательный гравитропизм, т.е. рост вверх, против вектора гравитации. Гравитропизм также проявляется в виде изгиба побега, после его отклонения от вертикали, который восстанавливает исходное направление роста данного органа. Исследования гравитропизма важны для лучшего понимания функционирования первичных клеточных стенок растений, которые должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: быть достаточно прочными для поддержания структурной целостности организма и одновременно достаточно растяжимыми для обеспечения его роста. Указанное противоречие особенно сильно выражено в молодых побегах растений, вертикальный рост которых требует способности клеточных стенок поддерживать их вес в гравитационном поле. Эта способность определяется не только механической прочностью клеточных стенок, но и тургором (т.е. давлением протопласта на клеточную стенку), который в значительной степени зависит от внутриклеточной концентрации осмотически активных низкомолекулярных метаболитов.
Целью настоящего проекта было выявление изменений химического состава, механики клеточных стенок, а также профиля низкомолекулярных метаболитов, которые лежат в основе формирования и поддержания гравитропического ответа гипокотилей этиолированных проростков арабидопсиса. Для достижения поставленной цели сравнивали вариант «Г» – растения, выращенные на горизонтальных чашках Петри, гравитропизм которых (рост ««стоя» над поверхностью агара) требует достаточной прочности клеточных стенок; вариант «В» – растения, выращенные на вертикальных чашках Петри, гипокотили которых растут вверх по поверхности агара, используя его в качестве физической опоры, в силу чего их гравитропизм реализуется даже при низкой прочности клеточных стенок; вариант «ВГ» – растения, выращенные на вертикальных чашках Петри с гравистимуляцией путем поворота чашек по часовой стрелке на 90 градусов, что индуцирует гравитропический изгиб гипокотилей и сопутствующие изменения в клеточных стенках. Оказалось, что в варианте «Г» только 55% гипокотилей растут стоя, тогда как остальные 45% лежат на поверхности агара. В дальнейшем в части экспериментов их рассматривали как отдельные подварианты «Г ст» и «Г лж» соответственно.
Установили, что гипокотили «Г ст» были достоверно короче всех других вариантов, т.е. необходимость поддерживать собственный вес в гравитационном поле связана с торможением роста. Кроме того, гипокотили «ВГ» были длиннее, чем гипокотили «В», свидетельствуя о том, что гравитропический изгиб в данном органе осуществляется за счет общей активации роста, которая сильнее выражена на одной его стороне, чем на другой.
Биохимический анализ состава клеточных стенок не выявил различий между вариантами «Г», «В» и «ВГ» в части содержания целлюлозы, уроновых кислот и моносахаридного состава углеводных полимеров матрикса. Отсутствие видимых различий свидетельствует о том, что гравитропизм гипокотилей не связан с изменениями синтеза отдельных полимеров клеточных стенок и может обеспечиваться более тонкими механизмами, такими как изменение пространственной ориентации полисахаридов клеточных стенок и/или образование между ними ковалентных и нековалентных поперечных сшивок, которое катализируется белками.
Участие разных классов белков, модифицирующих полисахариды, в контроле гравитропизма оценивали, исследуя механику клеточных стенок методом крипа (метод растяжения клеточных стенок при постоянной нагрузке). Растягивали нижнюю, прекратившую рост зону гипокотилей, которая несет основную нагрузку при поддержании их вертикального положения, и верхнюю растущую зону, ответственную за формирование гравитропического изгиба. Крип (т.е. зависимую от времени деформацию) клеточных стенок исследовали при рН 5 и рН 6 в сочетании с тепловой инактивацией клеточных стенок (3 мин при 90С) или без нее. При рН 5 и рН 6 активируются разные классы белков, регулирующих рост через изменение растяжимости клеточных стенок – экспансины и ксилоглюканэндотрансглюкозилазы/гидролазы (ХЕТ) соответственно, тогда как нагревание инактивирует большинство белков клеточной стенки.
Сопоставление биомеханики клеточных стенок вариантов «Г ст», «Г лж», «В» и «ВГ» в верхней растущей зоне гипокотилей выявило достоверно меньшую скорость крипа «Г ст» по сравнению с остальными вариантами, что хорошо согласуется с ингибированием роста у «Г ст». Данное различие было максимальным при рН 5 без тепловой инактивации, свидетельствуя о том, что существенную роль в ингибировании роста «Г ст» играет снижение активности экспансинов. В нижней, не растущей зоне гипокотилей не было достоверных различий скорости крипа вариантов «Г ст» и «В», демонстрируя то, что рост «стоя» над поверхностью агара не связан с усилением клеточных стенок в основании гипокотилей.
В метаболомном анализе гипокотилей «Г», «В» и «ВГ» было идентифицировано более 60 низкомолекулярных соединений (сахара, аминокислоты, органические кислоты, сахароспирты, жирные кислоты и др.). Кластерный анализ показал, что по совокупному составу метаболитов гипокотили «Г» выделяются в отдельную группу (расстояние 0,5), в то время как гипокотили «В» и «ВГ» группируются вместе с разделением на подгруппы вертикально растущих и гравистимулированных (расстояние 0,3). Кластеризация методом k-средних выявила три группы метаболитов в зависимости от их накопления в растениях: (1) метаболиты, уровень которых был повышен в гипокотилях «Г»; (2) метаболиты, уровень которых был повышен в гипокотилях «В» и «ВГ»; (3) соединения, уровень которых не имел достоверных различий среди вариантов «Г», «В» и «ВГ». В частности, в гипокотилях «Г» накапливались: аминокислоты аланин, глицин, серин и треонин; моносахариды фукоза, фруктоза, мелибиоза; а также треитол, спермидин, мочевина, сахароза и 4-гидроксипролин. Известно, что глицин, серин, фруктоза и сахароза участвуют в осморегуляции у растений. Следовательно, накопление данных соединений в гипокотилях «Г» будет увеличивать тургор, поддерживая их вертикальный рост над поверхностью субстрата.
Таким образом, в механизме отрицательного гравитропизма гипокотилей Arabidopsis thaliana важную роль играют торможение роста за счет снижения активности экспансинов и накопление осмотически активных метаболитов, которое вероятно увеличивает тургор клеток в данном органе.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 15-04-04075.