На пути к здоровью: открытия указывают путь к более питательным культурам
Почти каждая калория, которую мы потребляем, когда-то проходила по сосудам растения. Если бы транспортную систему растения можно было перенастроить для повышения доступности питательных веществ — через увеличение семян или повышение сахаристости томатов — фермеры мира могли бы прокормить больше людей.
Исследователи из Университета штата Вашингтон (WSU) сделали важный шаг в этом направлении, раскрыв механизм транспорта питательных веществ из листьев (где они производятся в процессе фотосинтеза) к «поглотителям» (sinks), которыми могут быть плоды, семена или ветви, используемые для производства биотоплива. Учёные обнаружили уникальную и критически важную структуру, где происходит разгрузка питательных веществ, что даёт науке новую точку приложения усилий для повышения эффективности и продуктивности растений.
«Если вы увеличите силу поглотителя на 5% и получите на 5% больше продукта, вы получите многомиллиардный рынок», — говорит Майкл Кноблаух, профессор Школы биологических наук WSU.
Определение места назначения питательных веществ
В прошлом году Кноблаух, подведя итог двум десятилетиям работы над внутренними процессами растений, опубликовал в журнале eLife наиболее убедительные на сегодня доказательства 86-летней гипотезы о движении питательных веществ в растениях. Текущее исследование, также опубликованное в eLife, расширяет эти знания, показывая, куда и как попадают питательные вещества.
«То, что мы едим, — это в основном плоды, корни и семена, злаки и так далее, — говорит Кноблаух. — И всё это находится не в месте фотосинтеза, а в месте разгрузки. Таким образом, все сахара и другие вещества, произведённые в ходе фотосинтеза, транспортируются к этим так называемым поглотителям».
«Механизм разгрузки — очень важный этап, потому что он определяет, сколько получает конкретный поглотитель. Поэтому, если мы сможем модифицировать так называемую силу поглотителя, мы, по сути, сможем изменить, какой именно плод или корень получит больше».
Видео демонстрируют разгрузку питательных веществ
Кноблаух, его бывший аспирант Тимоти Росс-Эллиот и другие исследователи из WSU, Дании, Великобритании и штата Делавэр проанализировали растение Arabidopsis (резуховидку Таля) — модельный организм семейства капустных. Они использовали неинвазивную визуализацию, трёхмерную электронную микроскопию и математическое моделирование. Им удалось создать серию впечатляющих видеороликов, показывающих растущие корни, а также движение флуоресцентно меченых растворённых веществ и крупных молекул через флоэму (ткань, транспортирующую сахара) и их разгрузку в соседние клетки.
Они обнаружили, что разгрузка из флоэмы происходит за счёт конвекции — комбинации диффузии (движения растворённого сахара из областей с высокой концентрацией в области с низкой) и объёмного потока (транспорта и растворённого вещества, и растворителя). Этот процесс облегчается плазмодесмами — порами, соединяющими соседние клетки.
Также впервые были обнаружены уникальные структуры — «воронкообразные плазмодесмы». Их ширина составляет всего 300 нанометров (3/10 000 миллиметра, что сопоставимо с длиной волны ультрафиолетового света). Несмотря на размер, эти поры в форме воронки имеют в 400 раз меньшее сопротивление потоку, чем обычные поры, и могут высвобождать крупные белки дискретными импульсами, которые исследователи назвали «пакетной разгрузкой».
Увеличение силы поглотителей для привлечения питательных веществ
Детальное понимание транспортной системы растений даёт исследователям новое представление о том, какие структуры можно было бы модифицировать, чтобы увеличить способность плода или корня привлекать питательные вещества.
«Это красивая, элегантная система, — говорит Кноблаух. — Чем больше вы вытягиваете, тем больше получаете. Поэтому, если мы сможем увеличить силу конкретного интересующего нас поглотителя, то сможем привлечь к нему больше питательных веществ. Если мы хотим сделать плод томата более сильным поглотителем, модифицировав разгрузку из флоэмы, мы направим больше питательных веществ к плоду и получим больше продукта».