Раскрыты сигнальные молекулы, управляющие «дыханием» и «питанием» растений
Международная команда учёных под руководством исследователей из Penn State впервые обнаружила молекулярные сигналы, которые контролируют, как и когда растения «дышат» и «питаются». Это открытие может иметь значение для сельского хозяйства.
«Это открытие значительно углубляет наше понимание того, как растения координируют свой внутренний метаболизм с внешней средой — фундаментальный процесс для роста и выживания растений», — сказала Сара Ассманн, ведущий автор исследования, опубликованного 25 августа в журнале Nature Plants.
Роль устьиц и загадка сигнала
- Устьица — это микроскопические поры на поверхности листа, окружённые парными замыкающими клетками.
- Они действуют как «рты»: открываются для поглощения CO2, необходимого для фотосинтеза и производства энергии, но одновременно выпускают водяной пар, что может привести к обезвоживанию.
- Хотя было известно, что свет стимулирует открытие устьиц, химическая природа сигнала из внутренних тканей листа, управляющего этим процессом, оставалась неизвестной.
Методы и открытие
Исследование проводилось на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) и конских бобах (Vicia faba).
- Учёные извлекли апопластную жидкость (жидкость между клетками) из листьев, подвергнутых действию красного света (стимулирует фотосинтез) или темноте.
- Анализ жидкости выявил 448 уникальных химических соединений (метаболитов), многие из которых ранее не были известны.
- Среди них сахара (сахароза, фруктоза, глюкоза) и малеиновая кислота (участвующая в производстве энергии) значительно увеличивались под действием красного света.
- Гипотеза о том, что эти метаболиты усиливают открытие устьиц, была
проверена в серии экспериментов:
- На изолированных эпидермисах листьев сахара напрямую способствовали открытию устьиц под красным светом.
- На целых листьях подкормка сахарами увеличивала поглощение CO2 и потерю воды, подтверждая сигнальную роль.
- Тесты на отдельных клетках раскрыли молекулярные механизмы, с помощью которых сахара стимулируют замыкающие клетки.
Значение исследования
Работа впервые даёт полную картину внутренней коммуникации в растениях, определяющей их выживаемость в различных климатических условиях. Открытие сотен метаболитов в апопластной жидкости также предоставляет новые направления для изучения сигнальных молекул, регулирующих другие процессы в растениях.
«Мы изучаем, что делает растения устойчивыми, от молекулярного уровня до физиологии целого растения, с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур», — отметила Сара Ассманн.