Гравитропизм растений – направленный рост органов по отношению к вектору силы тяжести – позволяет им оптимальным образом организовать своё тело даже в отсутствие действия других поляризованных факторов среды. Направление роста корня сонаправлено вектору гравитации, для побегов же характерен отрицательный гравитропизм – рост против вектора силы тяжести. При отклонении осевого органа растения от вертикального положения гравитропическая реакция корректирует направление роста, ускоряя рост на нижней стороне побега и тормозя рост на нижней стороне корня. Показано, в частности, что в регуляции гравитропической реакции участвуют полярный транспорт фитогормона ауксина, цитоскелет, транспорт ионов Ca2+, H+, K+, Rho ГТФазы, а также другие фитогормоны. Показано, что фитогормон этилен замедляет растяжение клеток корней и, таким образом, может участвовать в регуляции гравитропической реакции. У стеблей под действием этилена наблюдается т.н. “тройной ответ”: торможение роста стебля в длину, его утолщение и смена направления роста на 90° – с вертикального на горизонтальное. Однако реальный механизм регуляции этиленом гравитропической реакции растений пока ещё остаётся загадкой.
Целью настоящей работы было выявление изменений профиля низкомолекулярных метаболитов и характера реорганизации актинового цитоскелета под действием этилена в ходе гравитропической реакции корней проростков Arabidopsis thaliana. Для достижения поставленной цели изучали влияние этиленпродуцента этефона, салициловой кислоты и ингибитора синтеза этилена аминоэтоксивинилглицина (АВГ) на организацию актинового цитоскелета и состав низкомолекулярных метаболитов у 7-суточных проростков арабидопсиса в условиях их вертикального роста и при гравистимуляции.
Гравистимуляцию растений арабидопсиса осуществляли путём поворота чашек Петри с растениями в вертикальной плоскости на 90° относительно вектора силы тяжести. Актиновый цитоскелет визуализировали методом конфокальной микроскопии с использованием трансгенных растений GFP-fABD2, конститутивно экспрессирующих GFP, слитый с C-терминальным доменом актин-связывающего белка фимбрина. Состав низкомолекулярных метаболитов изучали посредством метаболомного анализа с использованием газовой хроматографии–масс-спектрометрии триметилсилильных производных метаболитов. Обработку данных метаболитных профилей проводили методом главных компонент с помощью пакета прикладных программ MATLAB R2014a
При гравистимуляции корня в отсутствие дополнительных обработок спектр ориентации актиновых микрофиламентов в зоне растяжения расширяется за счёт роста доли тяжей актина, ориентированных поперечно к оси органа (сонаправленных вектору силы тяжести). Обработка этефоном (10 мкМ) вызывает разборку актиновых микрофиламентов и значительное расширение спектра их ориентации в течение 30–60 мин. Ингибитор синтеза этилена АВГ (10 мкМ) снимал эффект перестройки актина при переориентации растений в поле силы тяжести, а салицилат вызывал нарушение реорганизации актина.
Выявлено, что в течение 60 мин гравистимуляции в апексах корней арабидопсиса (корневой чехлик, апикальная меристема и зона растяжения) развиваются метаболические перестройки, при которых уровень сахаров уменьшался в 2 раза (глюкоза, фруктоза, манноза, арабиноза), а уровень ряда аминокислот увеличивался (валин, лейцин, серин, γ−аминомасляная кислота). Изменения метаболитного профиля при гравистимуляции были более выраженными в кончиках корней (ось главной компоненты 1 (ГК 1) объясняла 87% дисперсии), чем в целых проростках арабидопсиса (76% дисперсии). Примечательно, что обработка АВГ и салицилатом не приводила к значимым изменениям метаболитных профилей как в масштабе целого проростка, так и в кончиках корней арабидопсиса, выращенных вертикально. Однако при гравистимуляции обработка АВГ приводила к разделению метаболитных профилей кончиков корней вдоль оси ГК 1, причём содержание моносахаридов возрастало, а уровень аминокислот валина и серина уменьшался. Таким образом, действие ингибитора синтеза этилена АВГ приводило к инверсии характера метаболической перестройки при гравистимуляции. Более того, под действием АВГ скорость роста корня достоверно увеличивалась на 42% при вертикальном росте и на 14% при гравистимуляции. Возможно, низкомолекулярные метаболиты, в особенности осмотически активные сахара, вовлечены в регуляцию гравитропической реакции корня как путём регуляции тургорного давления, так и изменения состава клеточной стенки.
Полученные данные свидетельствуют о том, что в регуляции гравитропизма корней Arabidopsis thaliana фитогормон этилен одновременно влияет и на реорганизацию актинового цитоскелета, и на метаболитные профили в апексе корня, что, вероятно, изменяет тургор клеток в зоне растяжения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ №№ 14-04-01624а, 17-04-00862а и СПбГУ №№ 1.38.233.2014, 1.23.1975.2015, 1.23.1142.2016.