Впервые выявлены сигналы-посредники, управляющие дыханием и «питанием» растений

от

У растений есть сложная система внутренней коммуникации, которая помогает им оптимизировать производство энергии. Новое исследование международной группы учёных под руководством исследователей из Пенн-Стейт впервые раскрывает молекулярных посредников, контролирующих, как и когда растения «дышат» и «питаются». Это открытие может иметь значение для сельского хозяйства.

«Это открытие значительно продвигает наше понимание того, как растения координируют свой внутренний метаболизм — химические реакции, которые они используют для производства энергии, — с внешней средой. Это фундаментальный процесс для роста и выживания растений», — сказала Сара Ассманн, профессор биологии растений в Пенн-Стейт и автор исследования, опубликованного 25 августа в журнале Nature Plants. «Наши результаты открывают двери для будущих исследований по повышению устойчивости растений и урожайности сельскохозяйственных культур».

Как растения координируют свои внутренние процессы

На протяжении десятилетий учёные-ботаники пытались понять, как внутренние клетки листа взаимодействуют со специализированными клетками, называемыми замыкающими, которые контролируют ширину устьиц — микроскопических пор в наружном слое листа. Устьица играют ключевую роль в жизненно важных процессах, таких как производство энергии и потеря воды.

Устьица служат микроскопическими «отверстиями» на листьях, открываясь и закрываясь для контроля поступления углекислого газа (CO₂), необходимого для производства углеводов, которые обеспечивают растение энергией. Они также контролируют выделение водяного пара в атмосферу.

Хотя было известно, что замыкающие клетки открывают устьица в ответ на свет, который стимулирует фотосинтез, и существовали доказательства существования химического «посредника» внутри листа, который регулирует этот процесс, его идентичность оставалась неуловимой.

«Для наземных растений всегда существует компромисс между максимизацией поглощения CO₂, необходимого для фотосинтеза, и выпуском водяного пара, который может высушить растение и в конечном итоге убить его, если оно потеряет слишком много воды», — сказала Ассманн.

«Устьица — это поры, где происходит этот компромисс. Когда они открываются, они пропускают CO₂, который позволяет растению «питаться», но они также выпускают водяной пар, который обезвоживает растение. Мы знали, что должен быть какой-то посредник, который говорил бы замыкающим клеткам, как регулировать это решение о жизни и смерти».

Исследование молекулярных посредников

Исследование, проведённое на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) и бобах фасоли (Vicia faba), показало, что сахара вместе с малеиновой кислотой, химическим веществом, участвующим в производстве энергии, действуют как эти важнейшие посредники.

Учёные выявили и охарактеризовали молекулярную петлю обратной связи между фотосинтетической активностью и регуляцией устьиц посредством серии кропотливых экспериментов. Они извлекли апопластическую жидкость — жидкость, находящуюся между клетками растений, — из листьев, подвергшихся воздействию красного света, который стимулирует фотосинтез, или темноты.

Анализируя химический состав апопластической жидкости, исследователи выявили в общей сложности 448 уникальных химических соединений — гораздо больше, чем было известно ранее, — которые необходимы для основных функций растений, таких как рост и развитие.

«Мы идентифицировали сотни метаболитов в апопластической жидкости, которые ранее никто не анализировал в таком объёме», — сказала Ассманн. «Это само по себе является важным вкладом в область, независимо от вопроса исследования, который мы конкретно рассматривали, поскольку даёт множество указаний на другие потенциальные сигнальные молекулы для процессов во всём растении».

Через обширный анализ этой жидкости исследователи выявили сахара, включая сахарозу, фруктозу и глюкозу, и малеиновую кислоту в качестве значимых компонентов, которые увеличивались под воздействием красного света, активирующего фотосинтез. Исследователи предположили, что эти конкретные метаболиты могут способствовать открытию устьиц под красным светом.

Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи сняли тонкие внешние слои листа и подвергли их воздействию света в присутствии или отсутствии сахаров. Они наблюдали, что сахара действительно напрямую способствовали открытию устьиц в изолированном эпидермисе под красным светом. Затем они провели серию экспериментов на целых листьях, используя кормление сахаром в сочетании с измерениями поглощения CO₂ и потери воды, чтобы подтвердить, что сахара сигнализируют устьицам открываться шире.

Наконец, они провели тесты на отдельных клетках, которые показали, как сахара стимулируют молекулярные механизмы, лежащие в основе контроля замыкающими клетками открытия устьиц. В целом работа даёт первое полное представление об этом процессе внутренней коммуникации внутри растений, который может определять их выживание в различных климатических условиях, сказала Ассманн.

«Мы сосредоточены на понимании того, как растения ощущают условия окружающей среды и реагируют на них», — сказала она. «Растения не могут выкорчевать себя и найти другое место для жизни; они должны справляться со всем, что им бросает окружающая среда — усиливающейся засухой и тепловым стрессом, — поэтому мы изучаем, что делает растения устойчивыми, начиная с очень специфического молекулярного уровня и вплоть до физиологии всего растения и полевых экспериментов, с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте