Исследователи выявляют механизмы, при помощи которых растения реагируют на глобальное потепление, и приходят к лучшему пониманию работы высокотехнологического оборудования, имеющегося у природы.
Микроскопические поры на поверхности листьев, называемые устьицами, помогают растениям «дышать», контролируя, сколько воды они теряют из-за испарения. Эти устьичные поры также обеспечивают и контролируют потребление углекислого газа для фотосинтеза и роста.
Еще в 19 веке ученые знали, что растения увеличивают отверстия устьичных пор для транспирации или «потения», пропуская водяной пар через устьица для охлаждения. Сегодня, когда глобальные температуры и волны тепла растут, расширение устьичных пор считается ключевым механизмом, который может минимизировать тепловой ущерб для растений.
Однако на протяжении более столетия биологи, изучающие растения, не имели полного представления о генетических и молекулярных механизмах, лежащих в основе усиления устьичного «дыхания» и процессов транспирации в ответ на повышение температуры.
Студент-докторант Школы биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего Наттивонг Панкасем и профессор Джулиан Шредер построили подробную картину этих механизмов. Их выводы, опубликованные в журнале New Phytologist, определяют два пути, которые растения используют для того, чтобы справиться с повышением температуры.
«С ростом глобальной температуры, очевидно, существует угроза сельскому хозяйству из-за воздействия волн тепла. Это исследование описывает открытие того, что повышение температуры вызывает открытие устьиц одним генетическим путем (механизмом), но если жара усиливается еще больше, то включается другой механизм, который увеличивает открытие устьиц», - сказал Шредер.
Десятилетиями ученые пытались найти четкий метод расшифровки механизмов, лежащих в основе повышения температуры, опосредованной устьичными отверстиями, из-за сложных процессов измерения, необходимых для этого. Трудность коренится в сложной механике, связанной с установкой влажности воздуха (также известной как разность давления пара, или VPD) на постоянные значения при повышении температуры, и в сложности разграничения температурных и влажностных реакций.
Панкасем помог решить эту проблему, разработав новый подход к фиксации VPD листьев на фиксированных значениях при повышении температуры. Затем он выделил генетические механизмы ряда устьичных температурных реакций, включая такие факторы, как датчики синего света, гормоны засухи, датчики углекислого газа и термочувствительные белки.
Важным для этого исследования был анализатор газообмена нового поколения, который позволяет улучшить контроль VPD (фиксируя VPD на фиксированных значениях). Теперь исследователи могут проводить эксперименты, которые проясняют влияние температуры на открытие устьиц без необходимости удаления листьев с целых живых растений.
Результаты показали, что реакция устьичного потепления обусловлена механизмом, обнаруженным во всех растительных линиях. В этом исследовании Панкасем исследовал генетические механизмы двух видов растений: Arabidopsis thaliana, модельного вида в науке, и Brachypodium distachyon, цветкового растения, связанного с основными зерновыми культурами, такими как пшеница, кукуруза и рис, что представляет собой подходящую модель для этих культур.
Исследователи обнаружили, что датчики углекислого газа играют центральную роль в реакциях устьичного потепления-охлаждения. Датчики углекислого газа определяют, когда листья подвергаются быстрому потеплению. Это запускает усиление фотосинтеза в нагревающихся листьях, что приводит к снижению уровня углекислого газа. Затем это запускает открытие устьичных пор, позволяя растениям извлечь выгоду из увеличения потребления углекислого газа.
Интересно, что исследование также обнаружило второй путь тепловой реакции. В условиях экстремальной жары фотосинтез у растений испытывает стресс и снижается, а устьичная тепловая реакция, как было обнаружено, обходит систему датчиков углекислого газа и отключается от нормальных реакций, вызванных фотосинтезом. Вместо этого устьица используют второй путь тепловой реакции, мало чем отличающийся от того, чтобы «потеть» в качестве механизма охлаждения.
«Влияние второго механизма, при котором растения открывают устьица, не получая выгод от фотосинтеза, приведет к снижению эффективности использования воды сельскохозяйственными культурами, - сказал Панкасем. - На основании нашего исследования растения, вероятно, будут требовать больше воды на единицу поглощенного CO 2. Это может иметь прямые последствия для планирования орошения для производства сельскохозяйственных культур и масштабные эффекты повышенной транспирации растений в экосистемах на гидрологический цикл в ответ на глобальное потепление».
«Эта работа показывает важность фундаментальных исследований, основанных на любопытстве, для решения социальных проблем, повышения устойчивости в таких ключевых областях, как сельское хозяйство, и, возможно, для развития биоэкономики, - сказал Ричард Сир, директор программы в Национальном научном фонде США по биологическим наукам. - Дальнейшее понимание молекулярных сложностей, которые контролируют основу устьичной функции при более высоких температурах, может привести к стратегиям по ограничению количества воды, необходимой для сельского хозяйства в условиях глобального повышения температуры».
Получив новые данные, Панкасем и Шредер теперь работают над изучением молекулярных и генетических механизмов, лежащих в основе системы вторичной тепловой реакции.
Соавторами исследования являются: Наттивонг Панкасем, По-Кай Хсу, Брин Лопес, Питер Фрэнкс и Джулиан Шредер.
Источник: University of California - San Diego. Автор: Марио Агилера.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
