АВТОР: Марио Агилера

Микроскопические поры на поверхности листьев, называемые устьицами, помогают растениям «дышать», контролируя, сколько воды они теряют при испарении. Эти устьичные поры также обеспечивают и контролируют потребление углекислого газа для фотосинтеза и роста.

Еще в 19^й Ученые знали, что растения увеличивают отверстие устьичных пор для испарения или «пота», пропуская водяной пар через устьица для охлаждения. Сегодня, когда глобальные температуры и волны жары растут, расширение устьичных пор считается ключевым механизмом, который может минимизировать тепловой ущерб растениям.

Но на протяжении более столетия биологам растений не хватало полного понимания генетических и молекулярных механизмов, лежащих в основе усиления устьичного «дыхания» и процессов транспирации в ответ на повышенные температуры.

Аспирант Школы биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего Наттивонг Панкасем и профессор Джулиан Шредер построили подробную картину этих механизмов. Их выводы опубликованы в журнале Новый Фитолог определите два пути, по которым растения справляются с повышением температуры.

«С повышением глобальной температуры очевидно, что существует угроза сельскому хозяйству в виде волн жары», — сказал Шредер. «Это исследование описывает открытие, что повышение температуры вызывает открытие устьиц одним генетическим путем (механизмом), но если жара усиливается еще больше, то появляется другой механизм, который срабатывает, чтобы увеличить открытие устьиц».

На протяжении десятилетий ученые пытались найти четкий метод расшифровки механизмов, лежащих в основе повышения температуры устьичных отверстий из-за необходимых сложных процессов измерения. Трудность коренится в сложной механике, связанной с установлением постоянных значений влажности воздуха (также известной как разность давлений паров, или VPD) при повышении температуры, а также в сложности разделения реакций температуры и влажности.

Pankasem помог решить эту проблему, разработав новый подход к фиксированию VPD листьев до фиксированных значений при повышении температуры. Затем он выявил генетические механизмы ряда температурных реакций устьиц, 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 до фиксированных значений). Теперь исследователи могут проводить эксперименты, выясняющие влияние температуры на отверстие устьиц, без необходимости удалять листья с целых живых растений.

Результаты показали, что реакция устьиц на потепление определяется механизмом, обнаруженным во всех линиях растений. В этом исследовании Панкасем исследовал генетические механизмы двух видов растений. Арабидопсис Талиана хорошо изученный вид сорняков и Брахиподий дистахион цветущее растение, родственное основным зерновым культурам, таким как пшеница, кукуруза и рис, и представляющее собой подходящую модель для этих культур.

Исследователи обнаружили, что датчики углекислого газа играют центральную роль в реакциях на потепление и охлаждение устьиц. Датчики углекислого газа обнаруживают, когда листья подвергаются быстрому нагреванию. Это запускает усиление фотосинтеза в согревающихся листьях, что приводит к снижению содержания углекислого газа. Затем это приводит к открытию устьичных пор, что позволяет растениям извлечь выгоду из увеличения потребления углекислого газа.

Интересно, что исследование также выявило второй путь тепловой реакции. При сильной жаре фотосинтез у растений подвергается стрессу и снижается, и было обнаружено, что устьичная тепловая реакция обходит систему датчиков углекислого газа и отключается от нормальных реакций, вызванных фотосинтезом. Вместо этого устьица используют второй путь тепловой реакции, мало чем отличающийся от проникновения через черный ход в дом, чтобы «потеть» в качестве механизма охлаждения.

«Воздействие второго механизма, при котором растения открывают устьица, не получая выгоды от фотосинтеза, приведет к снижению эффективности использования воды сельскохозяйственными растениями», — сказал Панкасем. «Согласно нашему исследованию, растениям, скорее всего, потребуется больше воды на единицу CO.₂ Это может иметь прямые последствия для планирования орошения для растениеводства и крупномасштабные последствия увеличения транспирации растений в экосистемах на гидрологический цикл в ответ на глобальное потепление».

«Эта работа показывает важность фундаментальных исследований, основанных на любопытстве, которые помогают решать социальные проблемы, повышать устойчивость в таких ключевых областях, как сельское хозяйство, и, возможно, способствовать развитию биоэкономики», — сказал Ричард Сир, директор программы Национального научного фонда США. Управление биологических наук, которое частично финансировало исследования. «Дальнейшее понимание молекулярных сложностей, которые контролируют основу функции устьиц при более высоких температурах, может привести к разработке стратегий по ограничению количества воды, необходимой для сельского хозяйства в условиях глобального повышения температуры».

Обладая новыми деталями, Панкасем и Шредер сейчас работают над пониманием молекулярных и генетических механизмов, лежащих в основе системы вторичной тепловой реакции.

Соавторами исследования являются: Наттивонг Панкасем, По-Кай Сюй, Брин Лопес, Питер Фрэнкс и Джулиан Шредер. Исследование финансировалось Программой Human Frontier Science (RGP0016/2020) и Национальным научным фондом (MCB 2401310).