Улучшенные клапаны: как травы «дышат» и справляются с изменением климата

Совместное исследование биологов растений и экологов из Института Карнеги и Стэнфордского университета выявило ключевой фактор, благодаря которому травы — как дикие, так и культурные — стали одними из самых распространённых растений. Результаты, опубликованные в Science, могут помочь создать растения, лучше адаптированные к тёплому и сухому климату.

Все наземные растения поглощают из атмосферы углекислый газ (CO₂) и выделяют кислород и водяной пар. Этот обмен необходим для роста, но также является важным драйвером глобальных климатических циклов. Растения балансируют между поглощением CO₂ и потерей воды с помощью устьиц — крошечных пор-клапанов на поверхности листьев.

У злаков устьица работают особенно эффективно: они широко открываются для максимального поглощения CO₂ и быстро закрываются при угрозе потери воды. Исследователи решили выяснить причину этого преимущества.

Ключевые особенности строения:

• У большинства растений устьице состоит из двух замыкающих клеток.
• У злаков есть дополнительная пара побочных клеток по бокам.
• Замыкающие клетки злаков имеют необычную гантелевидную форму (в отличие от почковидной у других растений).

Побочные клетки обеспечивают механическое усиление, позволяя гантелевидным замыкающим клеткам быстро и широко открываться.

В исследовании под руководством Доминик Бергманн на примере родственника пшеницы — растения Brachypodium — было показано, что четырёхклеточные устьица злаков действительно более чутко реагируют на изменения среды и имеют больший диапазон открытия. Это повышает выживаемость в условиях жары и засухи.

Команда, включая ведущего автора Майкла Райссига и исполняющего обязанности директора Отдела глобальной экологии Карнеги Джозефа Берри, с помощью современных методов определила конкретный ген BdMUTE. Он кодирует белок — «главный регулятор», который включает и выключает гены, определяющие свойства клеток.

Важное открытие:

• Без BdMUTE устьица Brachypodium формируются как примитивные двухклеточные, и такие растения хуже растут.
• BdMUTE — это не новый белок, а слегка модифицированная версия белка, который у растения Arabidopsis участвует в формировании двухклеточных устьиц.
• Ключевое отличие: в Brachypodium этот белок перемещается из клеток-предшественников замыкающих клеток в соседние клетки и заставляет их становиться побочными клетками в четырёхклеточном комплексе.

«Может ли подвижность версии MUTE у злаков быть ключом к способности этого главного регулятора создавать эти физиологически улучшенные устьица?» — задаётся вопросом Райссиг.

«Можно ли это открытие использовать для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к тёплому климату и нехватке воды? Это представляет интересную мишень для дальнейших исследований», — добавляет Бергманн.

«Эта элегантная работа — прекрасная иллюстрация того, как растения в ходе эволюции нашли структурные решения для физиологических проблем», — отметила Сью Ри, директор Отдела биологии растений Института Карнеги.