Обнаружены соединения, сохраняющие свежесть растений
Ученые из Университета Нагои обнаружили новые соединения, способные контролировать движение устьиц у растений. Некоторые из соединений при распылении на листья розы и овса предотвращали их высыхание и подавляли увядание. Дальнейшие исследования могут привести к разработке новых соединений для продления свежести срезанных цветов и букетов, снижения транспортных расходов для растений и придания сельскохозяйственным культурам устойчивости к засухе. Исследование опубликовано в Plant & Cell Physiology и исследует новый химический подход, не зависящий от классических генетических методов, для регулирования открытия устьиц у растений.
Устьица — это мелкие поры на поверхности растений, включая листья, лепестки цветов и другие органы, ответственные за газообмен с атмосферой. Эти поры облегчают газообмен для обеспечения углекислым газом, необходимым для фотосинтеза, и выделяют воду посредством транспирации, что усиливает поглощение питательных веществ корнями. Таким образом, регулирование открытия устьиц имеет важное значение для роста растений, а также для выживания в ответ на условия окружающей среды.
Устьица состоят из пары замыкающих клеток и открываются в ответ на синюю длину волны, присутствующую в солнечном свете, что объясняет, почему фотосинтез происходит днем. Когда растения находятся в темноте и/или испытывают стресс от засухи, биосинтезируется растительный гормон абсцизовая кислота (ABA), который вызывает закрытие устьиц. Ночью устьица закрыты, чтобы предотвратить потерю воды растением.
Когда замыкающие клетки устьиц обнаруживают синий свет, активируется фоторецептор фоттропин и запускается передача сигналов внутри клетки. Активируется фермент, называемый протонной помпой плазматической мембраны (PM H+-ATPase), что приводит к поглощению ионов калия. Это вызывает поглощение воды и набухание клеток, что открывает устьица. Хотя известно, что активация PM H+-ATPase важна для открытия устьиц, полный механизм этого процесса еще не выяснен.
«Поскольку мы были заинтересованы в раскрытии механизма открытия устьиц, мы решили использовать химическую библиотеку для поиска молекул, влияющих на этот процесс», — говорит профессор Тошинори Киножита, руководитель исследования. «Мы начали это исследование в 2014 году и стремились использовать химический подход вместо классических генетических методов, чтобы преодолеть такие недостатки, как летальность и избыточность генов. Мы также считали, что использование соединений для регулирования движения устьиц будет полезно для разработки агрохимикатов».
Химическая библиотека ITbM, управляемая доктором Аято Сато, содержит как коммерческие соединения, так и соединения, синтезированные химиками института. Киножита счел это хорошей возможностью для нового подхода.
Используя в качестве модельного растения коммелину бенгальскую (Benghal dayflower), доктор Шигео То, г-н Синпей Иноуэ и доктор Йосуке Тода установили экспериментальные условия для скрининга более 20 000 соединений. Им удалось найти «хитовые» соединения после года случайного скрининга. Среди них девять соединений подавляют светоиндуцированное открытие устьиц более чем на 50%, и два соединения вызывают открытие устьиц даже в темноте.
«Ключом к этому исследованию был максимально эффективный скрининг и поиск «хитовых» соединений из огромного пула», — описывает Киножита.
Дальнейший анализ соединений, закрывающих устьица (SCL), SCL1 и SCL2 показал, что они ингибируют компоненты передачи сигналов между рецептором фоттропина и ферментом PM H+-ATPase, тем самым подавляя светоиндуцированную активацию PM H+-ATPase и приводя к подавлению открытия устьиц.
Исследователи также распылили SCL1 на листья розы и овса и обнаружили, что увядание листьев успешно подавлялось в течение определенного периода времени.
«Это был лучший момент в нашем исследовании — обнаружить, что открытые нами молекулы оказывают эффект на подавление увядания листьев», — говорит Киножита. «Важно, что эти соединения вызывают закрытие устьиц по механизму, отличному от механизма растительного гормона ABA».
Наряду с эффектом закрытия устьиц в ответ на засуху, ABA также известен как ингибитор прорастания семян и роста растений. Хотя ABA и его производные в настоящее время разрабатываются в качестве реагентов для придания растениям устойчивости к засухе, их побочные эффекты остаются проблемой. SCL1 в настоящее время показывает эффект только на закрытие устьиц, поэтому команда предполагает, что это хорошая отправная точка для разработки новых реагентов для устойчивости к засухе. Они считают, что такие соединения будут полезны для сохранения свежести срезанных цветов, а также для снижения транспортных расходов, просто путем распыления соединений на растения.
«Мы надеемся найти партнеров для дальнейшего выяснения механизма открытия устьиц и совместной разработки соединений, которые можно будет применять для придания устойчивости к засухе различным растениям, включая основные сельскохозяйственные культуры и цветы», — говорит Киножита. «Мы также считаем, что, продлевая жизнь листьев, это может привести к увеличению разнообразия листьев, которые можно использовать в традиционной японской цветочной аранжировке икебана, где в настоящее время существует тенденция избегать использования простых листьев, которые легко вянут».