Ученые определили химические вещества, которые влияют на открытие устьиц – структур, отвечающих за поглощение углекислого газа и выделение водяного пара. Исследование проводилось под руководством специалистов из Университета штата Пенсильвания Penn State.
Международная группа исследователей продемонстрировала, что сахара, образующиеся в процессе фотосинтеза, особенно сахароза, фруктоза и глюкоза, а также малеиновая кислота, действуют как молекулярные сигналы между клетками мезофилла и замыкающими клетками, которые контролируют устьица.
Эти соединения сообщают растению, когда нужно открывать или закрывать устьица, регулируя поглощение углекислого газа и потерю воды.
Фотосинтез происходит в клетках мезофилла, расположенных внутри листьев. Устьица, находящиеся в эпидермисе, выполняют функцию впускных и выпускных клапанов для газов. Открытие устьиц зависит от активации протонных насосов и ионных каналов, которые влияют на движение воды и давление в замыкающих клетках.
Исследование подтверждает, что эта регуляция происходит не только под воздействием прямых световых стимулов, но и с помощью химических мессенджеров, которые перемещаются между клетками. Апопластическая жидкость – внеклеточное пространство между клетками – была проанализирована, чтобы определить, какие соединения влияют на этот процесс.
Были использованы два вида растений: Arabidopsis thaliana и Аddictive faba. Апопластную жидкость извлекали из листьев, которые подвергались воздействию красного света или находились в темноте. В образцах было обнаружено 448 различных метаболитов, что значительно больше, чем в предыдущих исследованиях.
Эксперименты показали, что внешнее воздействие сахарозы, глюкозы или фруктозы в низких концентрациях значительно увеличивает раскрытие устьиц при красном освещении. Это также привело к увеличению поглощения CO2 и устьичной проводимости, что подтверждает активную роль сахаров в качестве сигнальных веществ, а не только источников энергии.
Реакция была дозозависимой. Более высокие концентрации тех же сахаров не оказывали положительного эффекта. Вместо этого они вызывали закрытие устьиц, возможно, из-за отрицательного осмотического эффекта.
Малеиновая кислота, вторичный метаболит цикла трикарбоновых кислот, также вызывает открытие устьиц, хотя и в меньшей степени, чем сахара. Активность мессенджеров была изучена на трёх уровнях: в целых листьях, в изолированном эпидермисе и в отдельных замыкающих клетках.
Применение сахарозы активировало фосфорилирование протонного насоса H+-АТФазы в замыкающих клетках, что является важным механизмом для открытия устьиц.
Кроме того, сахароза блокировала анионные каналы SLAC1, препятствуя высвобождению отрицательных зарядов и способствуя поддержанию осмотического давления. Это приводит к усиленному притоку калия и воды, что увеличивает объём замыкающих клеток и открывает устьица.
Открытие проливает свет на ключевой механизм поддержания баланса между фотосинтезом и потерей воды. Поскольку растения не могут перемещаться, чтобы избежать неблагоприятных условий, такая настройка газообмена жизненно важна для их выживания.
Понимание того, как растения на молекулярном уровне принимают решение об открытии или закрытии устьиц, может помочь нам вывести культуры, которые будут более водосберегающими и продуктивными в условиях переменной освещённости или засухи,
- говорит Сара Ассманн, старший автор исследования.