Идентифицирован давно разыскиваемый датчик CO2 в растениях, контролирующий потерю воды
Более 50 лет назад было обнаружено, что растения могут ощущать концентрацию углекислого газа (CO2). При изменении уровня CO2 устьица — «дыхательные» поры на листьях — открываются и закрываются, регулируя испарение воды, фотосинтез и рост. Через устьица растения теряют более 90% воды. Регуляция устьичных отверстий CO2 критически важна для определения потерь воды и актуальна из-за влияния повышенного уровня CO2 на климат и водные ресурсы.
Однако идентификация датчика CO2 и объяснение его работы оставались нерешённой проблемой.
Используя комплекс инструментов и подходов, учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего совершили прорыв, обнаружив долго разыскиваемый датчик CO2 у растений Arabidopsis и расшифровав его рабочие компоненты. Проектный учёный Йохей Такахаши, заслуженный профессор Джулиан Шрёдер и их коллеги определили механизм датчика и детально описали его генетические, биохимические, физиологические и прогнозируемые структурные свойства. Результаты опубликованы 7 декабря в Science Advances.
Поскольку устьичные поры контролируют потерю воды, датчик жизненно важен для управления водными ресурсами и имеет значение для засух, лесных пожаров и управления сельскохозяйственными культурами в условиях изменения климата.
«На каждую молекулу поглощённого углекислого газа типичное растение теряет от 200 до 500 молекул воды на испарение через устьичные поры, — сказал Шрёдер. — Датчик крайне важен, поскольку он распознаёт повышение концентрации CO2 и определяет, сколько воды теряет растение при его поглощении».
Неожиданным открытием стал состав датчика. Вместо одного источника или белка учёные обнаружили, что датчик работает через взаимодействие двух растительных белков:
- Протеинкиназа «high leaf temperature1» (HT1).
- Определённые члены семейства митоген-активируемых протеинкиназ (MAP-киназ), а именно ферменты MPK4 и MPK12.
«Наши результаты показывают, что растения ощущают изменения концентрации CO2 через обратимое взаимодействие двух белков, регулирующих движение устьиц, — сказал Такахаши. — Это может дать нам новую цель для инженерии растений и химического воздействия в направлении эффективного использования воды и поглощения CO2 из атмосферы».
Выводы команды, на которые подана заявка на патент UC San Diego, могут привести к инновациям в эффективном использовании воды растениями при росте уровня CO2.
«Это открытие важно как для сельскохозяйственных культур, так и для деревьев, чьи глубокие корни могут высушивать почву при длительном отсутствии дождя, что приводит к лесным пожарам, — отметил Шрёдер. — Если мы сможем использовать эту информацию, чтобы помочь деревьям лучше реагировать на рост CO2 в атмосфере, возможно, они будут медленнее осушать почву. Аналогично можно повысить эффективность использования воды сельхозкультурами — больше урожая с каждой капли».
Для дальнейшего изучения открытого датчика исследователи сотрудничали с аспирантом Кристианом Зайтцем и профессором Эндрю Маккаммоном. Используя передовые методы, они создали детальную модель сложной структуры датчика. Модель указала на области, где генетические мутации, как известно, ограничивают способность растений регулировать транспирацию в ответ на CO2. Новые изображения показали, что мутанты группируются в области, где соединяются два белка-сенсора, HT1 и MPK.
«Эта работа — прекрасный пример исследований, движимых любопытством, которые объединяют несколько дисциплин — от генетики до моделирования и системной биологии — и приводят к новым знаниям, способным помочь обществу, в данном случае путём создания более устойчивых культур», — сказал Мэтью Бюхнер, программный директор Управления биологических наук NSF США, поддержавшего исследование.