Не только устьица: скрытый механизм регуляции воды может помочь растениям пережить засуху
Исследователи из Корнеллского университета обнаружили ранее неизвестный способ регуляции воды у растений, настолько фундаментальный, что он может изменить учебники по биологии растений и открыть путь к выведению более засухоустойчивых культур.
До сих пор учёные считали, что поры на поверхности листа, называемые устьицами, которые обмениваются водяным паром и углекислым газом с атмосферой, являются единственным средством растения для регулирования потери воды.
Однако новое исследование впервые описывает, как регуляция воды также происходит под поверхностью листа, на мембранах фотосинтезирующих клеток. Этот результат стал возможен благодаря AquaDust — наноразмерному сенсору, разработанному в Корнелле, который измеряет водный статус внутри листьев.
"То, что мы обнаружили, происходит в пределах последних 100 микрон длинного пути, который вода следует во время транспирации от корня до места, где она испаряется внутри листьев", — сказал Абе Строк, профессор Школы химической и биомолекулярной инженерии им. Смита в Корнелле.
Соавторами исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences, являются Сабьясачи Сен, докторант лаборатории Строка, и Пиюш Джайн, бывший член лаборатории, разработавший AquaDust, а ныне сооснователь и CEO стартапа Kubbly.
AquaDust раскрывает скрытую динамику воды
В растениях вода, поглощённая корнями, поднимается по сосудистой ткани — ксилеме. В листьях вода из ксилемы испаряется из фотосинтезирующих клеток мезофилла в крошечные межклеточные воздушные пространства, откуда выходит в виде водяного пара через устьица.
Это исследование показало, что, хотя клетки мезофилла остаются насыщенными водой, крошечные межклеточные пространства вокруг них могут становиться очень сухими. Эта разница в водном статусе создаётся при движении воды через мембраны клеток мезофилла, что обеспечивает второй регулятор потока воды наряду с устьицами.
"Наша лаборатория разработала инструмент, чтобы заглянуть в крошечные воздушные пространства в листьях и измерить динамику водного стресса на клеточном уровне", — сказал Строк об AquaDust. Это мягкий синтетический гидрофильный гель, который занимает межклеточные пространства в области мезофилла и набухает или сжимается в зависимости от доступности воды в листьях.
Последствия для засухоустойчивых культур
Открытие важно, потому что селекционеры ищут новые способы выведения культур с более эффективным использованием воды, но процессы, регулируемые устьицами, создают уникальные проблемы.
Растения поглощают углекислый газ для фотосинтеза, чтобы производить сахара для энергии и роста. Однако при нехватке воды устьица закрываются для сохранения влаги, что также ограничивает поглощение углерода и замедляет рост. Компромисс между ростом и сохранением воды создаёт препятствия для селекционеров, пытающихся повысить эффективность использования воды, но исследование раскрывает потенциальный способ обойти это.
"Мы обнаружили новый признак, который избирательно блокирует избыточную потерю воды листьями в атмосферу, не нарушая усвоения углерода, тем самым повышая эффективность использования воды", — сказал Сен.
Исследователи уже сотрудничают с глобальной сельскохозяйственной компанией Corteva Agriscience, чтобы лучше понять, как вывести более водоэффективную кукурузу. "Если мир хочет селекционировать на этот признак, следующий шаг — понять, какие гены его контролируют", — сказал Сен.