Как растения научились экономить воду
Крошечные поры на листьях растений, называемые устьицами, оказывают огромное влияние на состояние нашей планеты. Через устьица растения поглощают углекислый газ, который включается в углеводы, и выделяют кислород. Но они также теряют воду через открытые поры, что может быть опасно для жизни растений в засушливых условиях.
Поэтому растения выработали сложные сигнальные пути, которые оптимизируют ширину открытия устьиц в соответствии с условиями окружающей среды. В ответ на изменения доступности света, углекислого газа и воды они могут открывать или закрывать эти поры. Как эволюционировали сигнальные пути, ответственные за эту регуляцию? Этим вопросом занимается команда учёного-растениевода Райнера Хедриха в Университете Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) в Баварии, Германия.
«В настоящее время мы собираем и анализируем данные от разных видов растений», — говорит профессор Хедрих. Он объясняет, что это исследование также имеет значение для сельского хозяйства: «Знания об эволюции этих сигнальных путей могут быть использованы в селекционных усилиях для создания сельскохозяйственных культур, способных расти с меньшим количеством воды». Ведь большая часть питьевой воды, подаваемой растениям через системы орошения, теряется через устьичные поры. В свете изменения климата сорта растений, хорошо справляющиеся с засухой, очень востребованы.
История важных генов реконструирована
В журнале Trends in Plant Science исследователи JMU доктор Фрэнсис Суссмилч, профессор Йорг Шульц, профессор Хедрих и доктор Роб Роэлфсема обобщают текущий уровень знаний о сигнальных путях, которые растения используют для регулирования своего водного баланса.
Команда из Вюрцбурга реконструировала эволюционную историю важных генов, контролирующих движение пор листьев у цветковых растений. Оказалось, что большинство этих генов принадлежит к старым семействам генов, которые встречаются во всех группах растений, включая зелёные водоросли. Эти семейства генов, вероятно, развились до того, как первые растения колонизировали сушу.
Исследователи также выяснили, что некоторые специфические гены, контролирующие открытие и закрытие пор листьев в ответ на свет и углекислый газ, вероятно, развились только у семенных или цветковых растений после того, как они отделились в эволюции от общего предка с папоротниками.
Специфические сигнальные гены в регулируемых замыкающих клетках
В своей работе учёные JMU внимательно изучают замыкающие клетки растений. Эти две клетки окружают каждую устьичную пору. Когда гидравлическое давление в замыкающих клетках повышается, поры открываются. Если давление снижается, пора закрывается.
В замыкающих клетках цветковых растений продукты определённых ключевых сигнальных генов обладают уникальными свойствами или обнаруживаются в гораздо более высоких концентрациях, чем в окружающих клетках листа. Специфичность этих генов, вероятно, важна для контроля гидравлического давления в замыкающих клетках.
Исследователи также изучили родственные гены, используя доступные данные для мха Physcomitrella patens. «Мы выяснили, что ни один из интересующих нас генов мха не был специфичен для ткани, несущей устьица; вместо этого все эти гены экспрессировались и в тканях без этих пор», — сказала Фрэнсис Суссмилч. Роб Роэлфсема и Йорг Шульц добавляют: «Сигнальные гены со специфическими ролями в замыкающих клетках, вероятно, возникли позже в эволюции растений после отделения мхов от общего с цветковыми растениями предка».