Секрет самого маленького цветущего растения: оно не потеряло тело, а сжало его

Ряска — цветущее растение шириной всего несколько миллиметров. Ее ближайшие родственники — одни из самых крупных травянистых растений на Земле. Долгое время было непонятно, как полный план тела умещается в таком крошечном пространстве. Ученые из Ноттингемского университета выяснили: ряска не отказалась от частей тела, а сжала и слила их воедино. Это открытие меняет представления о том, как растения могут уменьшаться, и делает ряску еще более перспективной для будущего земледелия и космических миссий.

Ряска — не упрощенная версия, а сжатая
Миниатюризация встречается по всей природе: от крошечных животных до миниатюрных растений. Но если у животных она часто связана с потерей органов или структур тела, то ряска выбрала другой путь.

Исследователи провели анализ экспрессии генов и применили продвинутую микроскопию. Они сравнили ткани ряски с тканями ее крупного родственника — таро. Оказалось, что разные участки листеца ряски соответствуют отдельным органам таро: междоузлие — черешку, нижняя часть листеца — влагалищу, верхняя — листовой пластине. То есть органы не исчезли, а были сильно уменьшены, сжаты и срослись вместе.

Ученые признаются: они ожидали увидеть упрощение или утрату частей тела. Но базовая организация побега осталась на месте. Это дает новый взгляд на то, как растения могут эволюционировать и становиться такими маленькими.

Развитие листа тоже сохранилось
Если бы ряска просто «скомкала» органы, процесс развития мог бы стать хаотичным. Но оказалось, что лист ряски следует типичному для однодольных растений порядку клеточного деления.

Ученые использовали маркер EdU, чтобы отслеживать деление клеток, и построили систему из семи стадий развития. У самых молодых зачатков деление идет по всей структуре. По мере развития зона деления сужается к верхушке, затем к основанию, а у зрелого листеца почти прекращается. Эта картина совпадает с тем, как развиваются листья у кукурузы и риса.

Неожиданная находка в центре
Еще один сюрприз ждал исследователей в центральной узловой зоне листеца. Там обнаружилась структура, которую прежде не описывали. С помощью флуоресцентных красителей и трехмерной конфокальной микроскопии удалось увидеть коническую структуру со свойствами стенки стволовых клеток. В этой зоне активно работают гены WOX и CLAV1, связанные с апикальной меристемой побега. Это означает, что ряска сохранила микроокружение стволовых клеток, просто оно крайне сжато.

Почему это важно для будущего
Ряска растет очень быстро: биомасса удваивается примерно каждые 48 часов. Содержание белка высокое — у некоторых видов до 35–45 процентов сухого веса, аминокислотный состав сбалансирован. Главный белок — RuBisCo, самый распространенный белок на Земле.

В отличие от большинства современных культур, которые формировались тысячелетиями одомашнивания и селекции, потенциал ряски почти не изучен. Понимание того, как устроено ее тело, — основа для понимания того, как она растет, развивается и работает. А значит, и для ее улучшения.

В Нидерландах уже есть проект по выращиванию ряски в вертикальных фермах. Предварительные расчеты показали: себестоимость около 5,80 евро за килограмм, а выбросы углекислого газа могут быть на 74 процента ниже, чем при производстве сои.

Ряска и космос
Ряска рассматривается и как кандидат для космического земледелия. Ей не нужна почва, у нее нет традиционных корней, а все растение можно употреблять в пищу почти без отходов. Австралийская программа «Растения для космоса» изучает ряску и другие растения с целью создать культуры, способные обеспечить полное питание для астронавтов. Эти исследования планируется проверить в космосе в рамках миссии NASA Artemis III.

На Международной космической станции российский эксперимент «Ряска» уже успешно выращивал это растение в герметичных контейнерах. Ученые наблюдали, как в условиях микрогравитации листья ориентируются к воздуху, а корни — к воде. Эти данные пригодятся для будущего выращивания еды на Луне или Марсе.