Растения обрели активный контроль над потерей воды раньше, чем считалось
Новое исследование пролило свет на то, когда растения впервые развили способность реагировать на изменение влажности воздуха вокруг них. Вероятно, эта черта была у общего предка как цветковых растений, так и папоротников.
Ключевым элементом механизма регуляции являются крошечные отверстия, или поры, на поверхности листьев, называемые устьицами. Они позволяют растению регулировать поглощение газа CO2 в качестве топлива для фотосинтеза и потерю водяного пара — постоянный балансирующий акт, требующий открытия и закрытия пор в зависимости от меняющихся условий. Эта способность важна для сельского хозяйства, так как помогает культурам использовать меньше воды для роста.
Растения впервые развили устьица вскоре после перехода из воды на сушу около 450 миллионов лет назад. Однако учёные до сих пор не уверены в эволюционном пути, который они прошли, и в том, в какой момент растения стали способны выбирать, открывать или закрывать поры в ответ на окружающую среду.
У наиболее эволюционно молодых растений — цветковых — закрытие устьиц в ответ на засуху активно запускается рядом внутренних сигналов, включая гормон абсцизовую кислоту (ABA). Однако учёные пытались понять, присутствует ли этот механизм и у более древних групп растений. В новом исследовании, опубликованном в Current Biology, исследователи из Бирмингемского университета обнаружили доказательства, что вид папоротника Ceratopteris richardii активно закрывает свои устьица, используя аналогичные сигналы.
Этот полуводный тропический папоротник недавно стал первой моделью для изучения генетического контроля развития в семействе папоротников и теперь помогает учёным распутать долгую эволюционную историю между древнейшими наземными растениями (мхами, печёночниками и антоцеротовыми) и современными цветковыми растениями, доминирующими в сегодняшних экосистемах.
Команда использовала технологию RNA-секвенирования, чтобы выявить генетические механизмы, лежащие в основе различных реакций устьиц. Было продемонстрировано, что способность папоротника закрывать устьица в ответ на низкую влажность или на ABA задействует копии генов, уже известных своим контролем над устьицами у цветковых растений.
Результаты показывают, что и папоротники, и цветковые растения развили схожие методы активного закрытия устьиц. Это указывает на то, что эти механизмы присутствовали — по крайней мере, в какой-то форме — в устьицах последнего общего предка обеих групп.
Доктор Эндрю Плакетт, руководивший исследованием, отметил: «Мы знаем, что растения обладали устьицами большую часть своей эволюционной истории, но точка в эволюции, где растения стали способны активно открывать и закрывать их, была спорной. Мы смогли показать, что те же механизмы активного закрытия, что найдены у цветковых растений, присутствуют и у папоротников, гораздо более древней группы растений».
Алистер Хетерингтон из Бристольского университета добавил: «Эта работа подтверждает, что самые ранние растения могли активно контролировать потерю воды через микроскопические клапаноподобные структуры на поверхностях листьев, известные как устьица. Это важно, потому что показывает, что внутриклеточный механизм, позволяющий устьицам открываться и закрываться, присутствовал у самых ранних наземных растений. Исследование также показывает, что то, реагируют ли устьица активно или пассивно, диктуется средой, в которой жили растения».