Растения, будучи неподвижными организмами, развили уникальные механизмы для приспособления к меняющимся условиям окружающей среды. Один из таких механизмов — тропизм — процесс направленного роста органов растения в ответ на внешние стимулы. Особое место среди тропизмов занимает погодозависимый тропизм цветов, который регулирует положение цветков в зависимости от погодных условий, создавая баланс между привлечением опылителей и защитой от повреждений. Феномен, который получил новое научное понимание благодаря исследованиям на примере Arabidopsis halleri, раскрывает сложную взаимосвязь между механическими, биохимическими и экологическими процессами, влияющими на репродуктивный успех растений. Тропизмы, такие как фототропизм и гравитропизм, традиционно рассматриваются как основные способы ориентации побегов и корней в пространстве: фототропизм позволяет листьям и боковым побегам направляться к свету, а гравитропизм отвечает за рост корней вниз, а побегов — вверх.
Однако в цветках эти тропизмы регулируют не только рост, но и позицию цветков, что важно для их видимости для опылителей и защиты от внешних факторов, таких как дождь и ночные неблагоприятные воздействия. Исследования показали, что у Arabidopsis halleri цветки изменяют свою ориентацию в зависимости от погодных условий: в солнечную погоду цветки направлены вверх, а в дождь — вниз. Такая смена направления достигается за счет удлинения цветоножки, регулируемого гормоном ауксином и влиянием циркадных ритмов. Активность циркадных часов и освещения определяет доминирование фототропизма или гравитропизма. Свет с преобладанием синей части спектра стимулирует электрофизиологические и биохимические реакции, вызывающие фототропизм, который поднимает цветок вверх.
Напротив, при отсутствии света или в условиях низкой освещенности срабатывает гравитропизм, который поворачивает цветок вниз. С точки зрения биохимии, механизм движения основан на асимметричном распределении ауксина в тканях цветоножки. Ауксин — это растительный гормон, который регулирует рост клеток. Его неравномерное накопление на одной стороне цветоножки вызывает удлинение клеток с этой стороны, что приводит к изгибанию. В исследовании был обнаружен высокий уровень экспрессии генов, связанных с ауксином и клеточной гибкостью, таких как SAUR и PIN, а также генов, регулирующих гравитационную реакцию, особенно LAZY1.
Экспериментальное вмешательство с применением ингибитора переноса ауксина (NPA) показало прекращение движения цветков, что подтверждает ключевую роль этого гормона. Погода оказывает прямое влияние на поведение опылителей, а значит на репродуктивную успешность растений. В солнечные и теплые дни опылители, такие как мухи и жуки, активны и привлекаются к ярко видимым, направленным вверх цветкам. В дождливую же погоду их активность снижается, и цветки направляются вниз для защиты своих пыльников и рыльца от попадания капель воды, которые могут повредить пыльцу. Исследования с контрольными манипуляциями подтвердили, что направления цветов действительно повышают шансы на успешное опыление и снижают повреждения от влаги.
Циркадные ритмы играют важную роль в обеспечении правильного времени и направления движения цветов. При искусственной имитации условий дня и ночи, а также смене освещения, цветки демонстрируют четкие циклы поднятия и опускания, что позволяет растениям своевременно адаптироваться и оптимизировать взаимодействия с окружающей средой. Особенно важно то, что такая система позволяет избежать нежелательного раскрытия цветков в ночное время, когда опылители не активны, тем самым экономя ресурсы и снижая риск повреждений. В исследовании также рассматривалась ширина и длина цветоножки на разных стадиях цветения, что связано с возможностью изгибания. Максимальная гибкость достигается в фазу активного цветения, что совпадает с периодами максимальной активности опылителей и вероятности дождя.
Кроме того, наблюдались различия в открытости цветков в разную погоду, что влияет на видимость и привлекательность цветков. Экологические аспекты такого сложного взаимодействия между растительным тропизмом и погодными условиями позволяют понять многие особенности приспособленности растений. В отличие от многих исследований, которые фокусировались исключительно на привлечении опылителей, этот подход рассматривает важнейший баланс между привлечением и защитой, который жизненно важен для устойчивого размножения в меняющихся условиях. Кроме Arabidopsis halleri, подобные механизмы могут существовать и у других видов растений, но степень их выраженности и конкретные особенности могут зависеть от типа цветков, опылителей и климата. Например, у некоторых растений наблюдается явление гелиотропизма — слежения цветков за солнцем, что также связано с фототропизмом и циркадными ритмами, но не обязательно включает переключение между фототропизмом и гравитропизмом в зависимости от дождя.
