Химический сигнал помогает растениям контролировать «дыхание»

Растениям необходимо быстро адаптироваться к меняющейся среде. В засуху важно предотвратить потерю воды, а в солнечный день — поглощать CO₂ для фотосинтеза. Исследователи обнаружили, как растения регулируют развитие устьиц — пор, через которые происходят эти критические обмены с окружающей средой.

«Устьица жизненно важны для роста и выживания растений», — говорит Кейко Тори, руководитель исследования, опубликованного 12 января 2012 года в журнале Genes & Development.

Открытые устьица позволяют поглощать CO₂ и O₂ и выделять O₂ (продукт фотосинтеза), но также приводят к потере воды. Поэтому большинство растений открывают устьица днём и закрывают ночью.

Эффективность устьиц зависит от их равномерного распределения по поверхности листа. Учёные не понимали, как формируется этот паттерн в процессе развития.

Было известно, что два родственных белка — EPF1 и EPF2 — контролируют судьбу клеток в развивающихся листьях. Клетки, становящиеся устьицами, производят EPF2, который подавляет развитие других устьиц рядом. Высокий уровень EPF2 предотвращает формирование устьичных предшественников. EPF1, напротив, необходим для окончательного формирования устьиц. Без него предшественники не дифференцируются в зрелые устьица.

Предполагалось, что EPF1 и EPF2 взаимодействуют с рецепторами семейства ERECTA и рецептором TMM (too many mouths), но детали взаимодействий были неизвестны.

Прорыв стал возможен благодаря сотрудничеству с инженерами-наноматериаловедами, которые создали биосенсорные чипы для количественного измерения связывания молекул с рецепторами и кинетики этого взаимодействия.

Исследователи генетически модифицировали растения, чтобы блокировать эффекты рецепторов, не «выключая» их самих (это позволило избежать функционального перекрытия).

Результаты:

• При блокировке рецептора ERECTA растения переставали реагировать на пептид EPF2 и не подавляли образование устьичных предшественников. EPF2 связывается и действует через рецептор ERECTA.
• При блокировке рецептора ERL1 растения не реагировали на пептид EPF1 и не подавляли дифференцировку устьиц. EPF1 действует через рецептор ERL1.
• TMM связывается с рецепторами семейства ERECTA, модулируя их функцию, но при этом ограничивает связывание с пептидами EPF.

Исследование проведено на модельном растении Arabidopsis thaliana. У мутантов с меньшим количеством устьиц наблюдается значительно меньшая потеря воды при нормальном росте.

«Будет интересно изучить это у сельскохозяйственных культур и увидеть взаимосвязь между плотностью устьиц и продуктивностью растения», — говорит Тори. Корректировка плотности устьиц у культурных растений может стать для фермеров способом экономии воды.