Механизм «дыхания» растений открыт

Малоизученные устьица растений — крошечные поры — имеют огромное значение для прогноза погоды, климатических изменений, сельского хозяйства и гидрологии. Исследование учёных из Института Карнеги и Центра имени Гельмгольца в Юлихе опровергло устоявшееся представление о том, как эти структуры регулируют потерю водяного пара листом — процесс транспирации. Было обнаружено, что движущей силой физических процессов глубоко внутри листа является радиация.

Исследование опубликовано 12 июля 2010 года в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Устьица — это поры, окружённые двумя замыкающими клетками, которые контролируют размер отверстия. Размер пор регулирует приток углекислого газа (CO₂), необходимого для фотосинтеза, и отток водяного пара в атмосферу (транспирацию).

Транспирация охлаждает и увлажняет атмосферу над растительностью, смягчая климат и увеличивая количество осадков. Устьица влияют на скорость поглощения растениями CO₂ из атмосферы, что сказывается на продуктивности растений и концентрации CO₂. Понимание их работы критически важно для исследований изменения климата.

Современные климатические модели используют описания реакции устьиц, основанные на статистическом анализе исследований с участием лишь нескольких видов растений. Этот подход не опирается на глубокое понимание механизма регуляции и даёт слабую основу для экстраполяции на другие условия окружающей среды.

Впервые исследователи изучили, как обмен энергией и водяным паром на внешней поверхности листа связан с процессами внутри него. Они обнаружили, что энергия радиации, поглощаемая пигментами и водой внутри листа, влияет на то, как устьица контролируют уровень воды.

В эксперименте лист подсолнечника освещали фильтрованным светом, включающим или исключающим ближний инфракрасный свет (NIR >700 нм). При воздействии NIR устьица открывались и косвенно стимулировали фотосинтез. Свет разного цвета вызывал схожее открытие устьиц при равных энергозатратах — что служит дополнительным доказательством того, что движущей силой является тепло.

Эксперимент был воспроизведён на пяти других видах растений в диапазоне различных уровней CO₂ и температур. Учёные также разработали модель на основе энергетического баланса листовой системы для симуляции реакций. Результаты моделирования совпали с лабораторными данными.

Ранее предполагалось, что замыкающие клетки обладают сложными сенсорными системами, использующими свет и другие сигналы для регулирования пор. Прорыв данного исследования в том, что оно впервые демонстрирует: регуляция скорости потери воды устьицами связана с физическими процессами, происходящими глубоко внутри листа.

Это означает, что текущая модель того, что заставляет устьица менять размер, должна быть пересмотрена. Новые данные согласуются с гипотезой о том, что значительная часть тепла переносится через заполненные водяным паром воздушные пространства внутри листа, а не только от клетки к клетке. Это ключевое отличие важно для понимания и интеграции в общепринятую концепцию фундаментальных работ Отто Ланге 1970-х годов о реакции устьиц на влажность.