Pokusné roubované rostliny Arabidopsisi s prýtem na světlo necitlivým a kořenovou částí na světlo citlivou. Architektura kořenů u nich vypadá víceméně shodně s kontrolní skupinu s nepozměněnou citlivostí. Kredit: Hyo-Jun Lee, SNU.

Možná si to plně neuvědomujeme, protože je to pro nás samozřejmé, ale ve vědeckotechnickém pokroku se necháváme rádi inspirovat řešeními, které nalézáme v přírodě. Ta objevila mnoho brilantních návrhů vypilovaných evolucí. Nám pak stačí triky odhalit a následně je, jak nejlépe dovedeme, zkopírovat a přitom si být jisti, že nic lepšího bychom stejně nevymysleli.

K zvládnutým záležitostem v přebírání vypozorovaných vzorů patří dosažení nesmáčivosti napodobením nanostrukturovaného povrchu lotosového listu. Naopak některé bioinspirované technologie je poměrně náročné dotáhnout do konce, i když se o to snažíme seč můžem. O takových morfujících křídlech bez dělených řídících ploch sní snad každý letecký konstruktér.

Obvykle osvojení přírodního patentu vede od pochopení k přípravě méně dokonalého funkčního výtvoru. Kdo by to čekal? Události mohou mít i převrácený sled. Technologii optických vláken jsme přistihli používat rostliny teprve po tom, co jsme ji ovládli na daleko lepší úrovni než sama příroda.

Tady se čtenář může podivit. Rostliny přece byly mikroskopicky rozpitvány skrz naskrz a anatomové neobjevili nic bez definované funkce. Skutečně v rostlinách se nenachází žádný specializovaný útvar s nastíněnými optickými vlastnostmi. Úlohu světlovodu totiž plní staré dobré a známé cévní svazky, které primárně rozvádějí vodu a živiny.

Kromě rozvodu hmoty cévy také přenášejí světlo z listů přes stonek ke kořenům. Předávají tím stejně jako skleněná vlákna informaci. V případě rostlin signál nese informaci o světelných podmínkách na povrchu. Kořeny jsou tak plně v obraze, přestože sluneční paprsky zadrží několik milimetrů půdy.

Hyo-Jun Lee, vedoucí výzkumného kolektivu a první autor studie. Seoul National University

O schopnosti kořenů vnímat světlo se spekulovalo již tři desetiletí. Jelikož záření neovlivňuje pouze vývoj prýtu (nadzemní část rostliny), ale má zjevný dopad i na podzemní kořenovou část. Fyziologové popsali jeho podpůrný účinek na růstu hlavního a postranních kořenů. Zároveň podporuje gravitropismus - orientaci kořene směrem dolů ve směru gravitační síly.

Bylo jasné, že informace nesená zářením musí nějakým způsobem doputovat na neexponovaná místa, kde poté vyvolá příslušné reakce. Uvažovaný způsob předání zprávy zahrnoval tvorbu chemických poslů cestujících z prýtu pod zem. Ví se třeba, že světelná stimulace fotoreceptorů v nadzemní části zesiluje transport auxinu jakožto rostlinného hormonu rozváděného shora dolů, jež mimo jiné posiluje růst postranních kořenů.

Nicméně kořenová pletiva obsahují rovněž fotoreceptory, které mohou být světlem aktivovány, což naznačovalo, že se světlo účastní regulace růstu vedle nepřímé cesty pomocí chemických signálů i přímým účinkem. Podezření hraničící s jistotou, že tomu tak je, vzrostlo potom, co se prokázala dovednost stonku propašovat světlo na druhý konec. Definitivní potvrzení správnosti této teorie poskytla práce badatelů z Německa a Jižní Koreji z roku 2016. K objasnění problému vědci zvolili multioborový přístup kombinující biologii a biofyziku.

Zobrazení fotoreceptoru phy B, který je po ozáření přesunován do jádra. Zobrazení bylo provedeno pomocí fluorescenčního proteinu navázaného na fotoreceptor. Kredit: Hyo-Jun Lee, SNU.

Během molekulárně biologických pokusů vědci přišli na to, že světlo přivedené přírodními světlovody do kořenů přímo prostřednictvím fotoreceptoru phy B indukuje tvorbu transkripčního faktoru HY5 (elongated hypocotyl 5). Tento spínač mnoha genů obecně hraje u rostlin klíčovou roli ve fotomorfogenetických reakcích a díky tomuto výzkumu lze světlem navozené změny architektury kořenů rovněž připsat jeho asistenci.

Zajímavý je popis, jak odborníci k uvedenému závěru dospěli. Využili normální a mutantní rostliny modelového organismu Arabidopsis thaliana. Přičemž modifikovaní jedinci byli upraveni tak, aby jim chyběl fotoreceptor fytochrom B (phy B). Jejich záměr byl pokusné objekty vystavit přirozeným světelným podmínkám (nahoře světlo dole tma) a pak odebrat vzorky pro molekulárně biologickou analýzu.

K rozluštění celého tajemství, ale experimentální materiál museli nejdříve připravit způsobem hodným doktora Frankensteina, protože na prýt mutanta naroubovali kořen nemutanta a naopak. Získali dvě pokusné skupiny rostlin navíc. Jedna neuměla vnímat světelný signál v lodyze a druhá v kořenech. Tím dokázali odfiltrovat efekt lodyhy odkud hrozilo, že může proniknout HY5 nebo chemický posel spouštějící jeho produkci. Nicméně tvorba HY5 a stím spojené růstové reakce byly skutečně závislé jen na správné funkci phy B v kořenech a nikoliv v prýtu.

Na poznatky zpřístupněné biofyzikálními experimenty cílila skupina z Koreji a změřila prostupnost stonku pro světlo. Za tímto účelem fyzici spojili stonek na řezu s klasickým optickým vláknem napájeným bílým světlem a detektor snímající případné fotony vycházející z kořenů umístili pod ně. Díky tomu poprvé zjistili, že kromě blízkého infračerveného záření do kořenů penetruje také červené světlo. Přesněji se jednalo o výsek spektra v rozsahu 670 -1000 nm. Ostatní vlnové délky se ve vodivých elementech úplně absorbovaly.

Nejsnadněji se šířilo blízké infračervené záření. O poznání hůře pak cestovalo červené světlo. Fotoreceptor typu phy B interaguje s oběma složkami spektra, ale pouze červené záření ho přepíná do aktivní formy. Fotoreceptor v kořenech si zaslouží obrovské uznání za extrémní citlivost, vždyť poměr přístrojem zachyceného červeného/blízkého infračerveného záření byl pouze 0,01. No prostě s takhle špatnou optickou vodivostí by lidstvo žádnou telekomunikační infrastrukturu nevybudovalo.

Literatura:

Hyo-Jun Lee, et al.: Stem-piped light activates phytochrome B to trigger light responses in Arabidopsis thaliana roots, Sci.Signal9.ra106,

doi: 10.1126/scisignal.aaf6530]