Сахароза — жизненно важный источник энергии для растений. Она также стимулирует рост и служит важной сигнальной молекулой при стрессе и развитии. Сахароза является ключевым продуктом фотосинтеза и основной формой сахара, используемой для транспортировки на большие расстояния в растениях. Движение сахарозы через ткани растений многое раскрывает о внутреннем состоянии растения. Однако, несмотря на её важность, отслеживание сахарозы в реальном времени в живых растениях остаётся сложной задачей.
Одной из основных проблем является ограниченная доступность сенсоров in vivo, способных фиксировать тонкие физиологические события, такие как движение сахарозы через ткани растений. Существующие методы основаны на деструктивном отборе проб или кратковременных измерениях.
Но сахара, такие как сахароза, динамичны — они меняются в зависимости от времени суток, освещённости и стадии развития растения. Поэтому возникает вопрос: можно ли непрерывно измерять эти колебания в реальном времени, особенно для проверки возникающих гипотез о том, как растения поглощают воду и растворённые вещества через неожиданные пути, такие как устьица листьев?
Исследователи из Университета Васэда под руководством профессора Такео Мияке и сотрудничающие учреждения разработали гибкий ферментативный биосенсор игольчатого типа, который можно вставлять в ткани растений и который сообщает о концентрации сахарозы в режиме реального времени. Их результаты были опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
Команда Мияке в Университете Васэда включала Шики Ву, Вакутаку Накагаву, доктора Саманом Ажари и доктора Габора Мехеша. Профессор Томонори Кавано из Университета Китакюсю и Юта Нишина из Университета Окаямы также были частью команды.
Принцип работы биосенсора
Биосенсор объединяет мультиферментный анод — глюкозооксидазу, инвертазу и мутаротазу — способный катализировать сахарозу до глюкозы и обнаруживать её присутствие электрохимически. Катод был основан на билирубиноксидазе и работал с уникальной агарозной гелевой прослойкой.
Новый датчик достиг высокой чувствительности, предела обнаружения 100 мкМ, диапазона обнаружения до 60 мМ, времени отклика 90 секунд и стабильной работы более 72 часов. Устройство можно было плавно вставлять в стебли и плоды растений с минимальным повреждением.
«Мы разработали датчик специально для того, чтобы зафиксировать поглощение сахарозы через устьица, что является в значительной степени неизученным путём», — говорит автор-корреспондент Мияке. «Показатели эффективности были важны, но больше всего нас радует новая биология, которую он помог раскрыть».
Используя датчик, команда наблюдала суточный ритм транспорта сахарозы в стеблях звёздчатого гуаява (Psidium cattleianum). Уровень сахарозы достигал максимума в ночное время, что согласуется с перераспределением сахаров, полученных в результате фотосинтеза — закономерность, соответствующая известным циклам роста многих растений.
Дальнейшие интересные результаты были получены в экспериментах с японским кедром (Cryptomeria japonica). Здесь исследователи погружали листья кедра в раствор сахарозы и чередовали освещение и темноту. Биосенсор, встроенный в стебель растения, фиксировал повышение концентрации сахарозы только во время освещения, когда устьица, как известно, открываются. Это позволило предположить, что сахароза может поступать через листья и транспортироваться внутри растения, впервые продемонстрировав поглощение сахарозы через устьица у высших растений.
Чтобы подтвердить, что вода и растворённая сахароза действительно поступали через устьица, исследователи использовали воду, меченную стабильным изотопом кислорода-18. Анализ показал более высокие уровни изотопа в освещённых листьях, что дополнительно подтвердило гипотезу. Они также наблюдали временную задержку около 45 минут между освещением и повышением уровня сахарозы в стебле, что соответствует известным скоростям транспорта в флоэме растений.
«Это первый раз, когда мы смогли напрямую отслеживать поглощение растворимого сахара через устьица в режиме реального времени», — сказал Мияке. «Это ставит под сомнение устоявшиеся представления о том, как растения получают воду и питательные вещества».
Авторы отмечают, что текущая версия сенсора предназначена для краткосрочных лабораторных экспериментов, но будущие версии могут включать беспроводную передачу и снижение инвазивности, что сделает его пригодным для долгосрочного мониторинга в полевых условиях. Они также отмечают, что присутствие вторичных метаболитов в растительном соке существенно не влияло на точность сенсора благодаря селективному дизайну ферментов.
В будущем исследователи хотят применить сенсор для мониторинга динамики сахара в корнях, семенах и репродуктивных органах растений. Это может помочь создать новые стратегии оптимизации урожайности сельскохозяйственных культур, обнаружения стресса и моделирования роста. Как говорит Мияке: «Если мы сможем измерять, что растение делает в режиме реального времени, мы сможем начать думать о выращивании сельскохозяйственных культур более разумно».
Предоставлено:
[Университет Васэда](https://phys.org/partners/waseda-university/)