Дистанционное управление устьицами растений
Растения имеют микроскопические поры на поверхности листьев — устьица. Они помогают регулировать поступление CO2 для фотосинтеза и предотвращают чрезмерную потерю воды во время засухи.
Движением устьичных щелей управляют две замыкающие клетки. При падении их внутреннего давления поры закрываются, при повышении — открываются.
Сигнальные пути в этих клетках очень сложны, что затрудняет прямое вмешательство. Однако исследователям из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге (Германия) удалось найти способ дистанционного контроля устьиц с помощью световых импульсов.
Использован светочувствительный белок водорослей
Учёные внедрили в замыкающие клетки табака светочувствительный «переключатель» по технологии оптогенетики, которая ранее успешно применялась в животных клетках, но для растений находится в зачаточном состоянии.
В качестве переключателя использовали анионный канал ACR1 из группы каналродопсинов, выделенный из водоросли Guillardia theta. В ответ на световые импульсы канал обеспечивает выход хлорида из замыкающих клеток, за которым следует калий. Клетки теряют внутреннее давление, и пора закрывается в течение 15 минут.
«Световой импульс — это как пульт дистанционного управления для движения устьиц», — говорит профессор Райнер Хедрих.
Подтверждена гипотеза об анионных каналах
«Активируя ACR1 светом, мы обошли собственную сигнальную цепь клетки, доказав гипотезу, что открытие анионных каналов необходимо и достаточно для закрытия устьиц», — поясняет Хедрих.
Облучение почти полностью предотвратило транспирацию (испарение воды) у растений.
Это открытие позволяет создавать растения с увеличенным количеством анионных каналов в замыкающих клетках. Такие растения смогут быстрее закрывать устьица в ответ на приближающиеся волны жары и лучше переносить засуху.
Перспективы исследований
В дальнейшем учёные планируют использовать кальций-проводящие каналродопсины, чтобы с помощью света запускать приток кальция в замыкающие клетки и детально изучить механизм активации анионных каналов.
«Наш новый оптогенетический инструмент обладает огромным потенциалом для науки, — говорит профессор Хедрих. — С его помощью мы можем получить новые знания о том, как растения регулируют потребление воды и как связаны фиксация CO2 и движение устьиц».
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.