Расшифрован механизм суточного ритма устьиц растений
Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрыло молекулярный механизм, регулирующий ритмичные движения устьиц в течение дня.
Устьица состоят из двух замыкающих клеток (ГК) и поры между ними. Размер поры зависит от набухания или сжатия клеток, что увеличивает или уменьшает устьичную щель. Оптимальная апертура определяется интеграцией различных внешних и внутренних факторов.
В общем случае закрытие происходит в темноте и при водном стрессе в ответ на гормон стресса АБК (абсцизовую кислоту), чтобы предотвратить потерю воды. Свет же индуцирует открытие устьиц для поглощения CO2 и выделения O2 в течение дня.
Чтобы полностью понять механизмы, контролирующие движения устьиц, исследователи из Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики под руководством Елены Монте изучили модель Arabidopsis thaliana в периоды контролируемого света и темноты. Они отслеживали апертуру устьиц и идентифицировали вовлеченные белки и гены, используя методы молекулярной биологии и биоинформатический анализ.
Исследователи обнаружили, что семейство белков PIFs (Phytochrome Interacting Factors) накапливается в конце ночного периода, и этот шаг является решающим для индукции открытия устьиц утром.
PIFs — это транскрипционные факторы, контролирующие экспрессию определенных генов. В данном случае ученые установили, что накопление PIFs запускает экспрессию гена KAT1 — специфичного для замыкающих клеток калиевого (K+) канала, который контролирует количество ионов и, следовательно, количество воды, поступающей в эти клетки. Утром наличие света активирует белок KAT1, запуская поступление ионов калия и набухание замыкающих клеток, что приводит к открытию устьиц.
Соавторы работы Ниль Весиана и Арнау Ровира подчеркивают важность результатов, полученных в условиях эксперимента «без ограничений по воде и, следовательно, с эндогенным уровнем АБК». Именно в таких условиях наблюдается ритмичная апертура устьиц, и можно оценить регуляторный ответ на циклы свет/темнота.
Взаимодействие между функцией PIF и эндогенной сигнализацией АБК в замыкающих клетках является ключевым для динамической регуляции устьиц. Ночью эндогенная АБК необходима для поддержания устьиц закрытыми, тогда как утром ее снижение необходимо для индуцированного светом и регулируемого PIF открытия.
Хотя ритмичные движения устьиц и белки, ответственные за открытие-закрытие, были известны ранее, впервые расшифрован точный транскрипционный механизм, регулирующий апертуру устьиц в течение дня/ночи. Более того, идентификация PIF и KAT1 как ключевых игроков в этой регуляции открывает возможности для новых направлений исследований и возможных биотехнологических подходов.
Понимание того, как цикл свет/темнота регулирует устьичную апертуру, может быть использовано для поиска мишеней с целью оптимизации урожайности растений и их адаптации к различным стрессорам, например, в условиях ограничения воды и засухи.