Если окружающий воздух становится слишком сухим, растениям необходимо защитить себя от чрезмерной потери влаги. Именно с этой целью они закрывают специальные поры в листьях.
Исследователи из Университета Вюрцбурга выяснили, каким образом растения чувствуют изменения влажности и переводят эту информацию в сигналы.
Растения обмениваются с атмосферой такими газами, как двуокись углерода и кислород, через специальные отверстия в листьях, известные как устьица. Две так называемые замыкающие клетки, расположенные кольцеобразно, работают как надувной круг: когда клетки набухают, они образуют открытое кольцо, а когда внутреннее давление снижается, они сжимаются и пора закрывается.
В условиях низкой влажности, когда растению не хватает воды, оно всегда сталкивается с дилеммой: с одной стороны, им следует открыть свои устьица как можно шире, чтобы получить как можно больше углекислого газа для фотосинтеза, но, в то же время, закрытие устьиц предотвратит риск потери слишком большого количества драгоценной влаги в виде водяного пара.
На самом деле, растения обладают различными частично перекрывающимися механизмами, позволяющими отдать устьицу команду на открытие или закрытие. Система поиска идеального компромисса в соответствующих условиях строго контролируется.
Профессор Райнер Хэдрих и его коллега доктор Питер Эке с кафедры Молекулярной физиологии растений и биофизики из Университета Вюрцбурга по-новому взглянули на эту удивительно точно настроенную систему регулирования, и опубликовали результаты своего исследования в журнале «Molecular Plant».
Исследователи использовали хорошо известную генетическую модель Арабидопсиса, также известного как Резуховидка Таля, для того, чтобы изучить, каким образом растения чувствуют изменения влажности и трансформируют эту информацию в химический сигнал.
В опубликованном в ноябре прошлого года исследовании Хэдрих и Эке уже продемонстрировали, что замыкающие клетки могут непосредственно и независимо реагировать на понижение влажности, производя гормон стресса – абсцизовую кислоту (АБК).
АБК стимулирует замыкающие клетки освобождать соли из их внутренних запасов. Как следствие, вода начинает вытекать наружу и замыкающие клетки сжимаются, что приводит к закрытию устьица, – объясняет Райнер Хэдрих.
К настоящему времени Вюрцбургские учёные уже исследовали растения, у которых из-за мутации этот сигнальный путь нарушен.
Мы работали с растениями с дефектом в этом важном гене переключения, – рассказывает Питер Эке. – При сравнении с дикими растениями этого же вида в каждом случае эти мутации затронули деятельность 100 генов.
Ученые рассмотрели, какие из этих генов получили преимущественную экспрессию в замыкающих клетках и какие из них отвечали и на гормон опадения АБК, и на сухой воздух. В конечном итоге им удалось сузить число генов, удовлетворяющих всем этим критериям в обоих мутантах, до четырёх.
Мы считаем, что эти гены играют чрезвычайно важную роль для устьичного ответа на понижение влажности, – говорит Питер Эке.
Один из этих генов, помимо всего прочего, имеет большое значение для метаболизма сахара в замыкающих клетках.
Мы уже давно предполагали, что сахар играет важную роль в механизме закрытия устьиц в ответ на сухой воздух, – подчёркивает Райнер Хэдрих.
Возможными являются два сценария, которые к тому же не обязательно взаимоисключающие:
Согласно первому сценарию, клеточная стенка оснащена большим количеством молекул сахара, которые притягивают молекулы воды. Если эта вода начинает испаряться из-за сухого воздуха, растворимость сахаров клеточной стенки изменяется.
И этот сигнал может быть передан непосредственно в клетку. Второй сценарий подразумевает, что сухой воздух может вызвать быстрое освобождение осмотически активных сахаров из замыкающих клеток, что ведет к высвобождению воды и закрытию устьиц.
Биологи растений из Вюрцбурга собираются найти ответ на открытые вопросы о роли сахара в механизме реагирования на сухой воздух, при помощи растений мутантов с изменениями в метаболизме сахара и транспортировки замыкающих клеток.
В своем настоящем исследовании Хэдрих и Эке уже рассматривали мутантов, у которых была нарушена функция гена синтазы сахарозы SUS3. В своём эксперименте, они выяснили, влияет ли этот генетический дефект на АБК воздействие в условиях низкой влажности. Эта гипотеза была подтверждена.
Тот факт, что некоторые из генов в соответствующих растениях мутантах все еще активированы, а другие нет, поддерживает нашу гипотезу, что соответствующие белки должны играть центральную роль в сигнальном пути влажности, и, что сахара также играют важную роль в этом процессе.
Таким образом, мы добились определенного прогресса в выявлении всей сети и определении возможных механизмов влагочувствительности, – с удовлетворением подводит итог доктор Питер Эке.
Хэдрих и его коллеги уже использовали в баварском научно-исследовательском объединение «ForPlanta», «Растения пригодные для будущего», ряд других стимулов, приводящих к закрытию устьиц, и проанализировали соответствующие изменения в активности генов. Теперь они намерены расшифровать всю сеть при помощи биоинформатики.
После того, как мы достигли понимания механизма закрытия устьиц из-за сухого воздуха, мы должны сфокусироваться на противоположном устьичном ответе, а именно, на механизме регулирования устьичного отверстия, – рассказал о своих планах на будущее профессор Хэдрих.
