Как высокие деревья перемещают сахара
Учёные долгое время предполагали, что сахара, питающие деревья, выталкиваются давлением воды из листьев, где они создаются, к стеблям и корням, где они нужны.
Но как с этой задачей справляются более высокие деревья, учитывая большие расстояния для питательных веществ и, казалось бы, большую силу, необходимую для их транспортировки?
Команда из девяти учёных, в основном из Гарварда, нашла ответ в недавнем исследовании, результаты которого также могут помочь завершить давние дебаты о динамике транспорта сахаров в деревьях. Исследование, подробно описанное в выпуске журнала Nature Plants от 4 декабря, показало, что гидравлическое сопротивление движению богатого сахаром сока вниз от листьев не увеличивается с высотой дерева так сильно, как можно было бы ожидать, из-за физических особенностей транспортной системы.
Также было обнаружено, что «давления, которые развиваются в листьях взрослого красного дуба, достаточно для перемещения сахаров до самых корней», — сказала Ноэль Мишель Холбрук, член исследовательской группы, профессор биологии и профессор лесного хозяйства имени Чарльза Булларда на кафедре организменной и эволюционной биологии Гарварда.
«Теперь у нас есть доказательства, что все растения — и маленькие, и высокие — используют один и тот же механизм для транспорта сахаров», — заявила Холбрук. «И теперь мы понимаем, как деревья могут становиться высокими, не сталкиваясь с транспортными ограничениями, связанными с их размером. Наше исследование отвечает на многолетние дебаты о том, как сахара транспортируются в деревьях».
Исследование стало результатом сотрудничества, начатого в 2011 году между Холбрук и Майклом Кноблаухом, клеточным биологом растений из Университета штата Вашингтон. Кноблаух руководил разработкой инструментов, использованных в исследовании, в то время как измерения в основном проводились в Гарварде.
Помимо Холбрук и Кноблауха, основными участниками проекта были Джессика Сэвидж, бывший постдокторант Гарварда и стипендиат Патнема в Арнольд-Арборетуме, ныне доцент Университета Миннесоты, и Кааре Йенсен, бывший постдокторант Гарварда, ныне доцент Датского технического университета в Копенгагене.
Исследование проводилось в основном в Гарвардском лесу в Питершеме, штат Массачусетс, и в Арнольд-Арборетуме, большая часть работ датируется периодом стипендии Кноблауха в Гарварде в 2013–2014 гг. Пятеро других членов команды — нынешние или бывшие аспиранты или постдокторанты Гарварда.
«Мы хотели понять, как деревья преодолевают гидравлический штраф за увеличение размера — простой факт, что для транспортировки материалов на большие расстояния должно требоваться больше энергии», — сказала Холбрук. Команда также хотела определить, используют ли деревья те же транспортные механизмы, что и более мелкие растения.
Холбрук пояснила, что сахара, образующиеся при фотосинтезе, концентрируются в флоэме — растительной ткани, используемой для их проведения вниз от кроны дерева. Концентрированный сахар притягивает воду за счёт осмоса, создавая положительное тургорное давление внутри клеток. Это, в свою очередь, «движет богатый сахаром сок к местам, где сахара используются».
«Проблема в том, что модели предполагали, что гидравлическое сопротивление для транспорта флоэмного сока потребует очень больших градиентов давления в высоких деревьях», — сказала она. Это вызвало дебаты о том, «достаточно ли этого механизма для объяснения транспорта флоэмы в таких деревьях». Некоторые учёные предполагали существование механизмов для добавления энергии вдоль пути.
Исследовательская группа провела обширные измерения структуры проводящих сахар трубок по всей длине многих деревьев, а также измерила гидравлическое сопротивление в этих трубках.
«Чтобы взять образцы флоэмы, одной из самых нежных и легко повреждаемых тканей растения, нам пришлось срезать внешнюю кору. На больших стеблях мы делали это с помощью молотка и долота — не тех инструментов, которые мы обычно используем в лаборатории», — рассказала Холбрук. Команда также измерила давление в листьях высокого дерева с помощью флуоресцентного микроскопа, который они подняли в крону дерева.
«Мы обнаружили, что сопротивление движению богатого сахаром флоэмного сока не увеличивается линейно с длиной транспорта, потому что транспортные клетки флоэмы в главном стебле, особенно у основания, были шире и длиннее, а также имели более пористые "ситовидные пластинки"», — сказала Холбрук. «Таким образом, давления, необходимые для движения флоэмы, оказались намного ниже, чем предсказывалось».
По её словам, результаты исследования имеют важное значение для производства продуктов питания.
«Большая часть пищи, создаваемой в результате фотосинтеза, перемещается через флоэму», — сказала она. «Если есть способы сделать растения более продуктивными с точки зрения более высокого фотосинтеза, то им также понадобится возможность транспортировать эти сахара в ткани, которые мы едим. Таким образом, понимание того, как растения создают эффективные транспортные системы, может способствовать разработке более урожайных культур и более продуктивных деревьев».