Пытаясь выяснить, как комнатное растение может выжить без полива в течение полутора месяцев, исследователи получили ключ к созданию более засухоустойчивых культур.
Венгерские исследователи из Университета имени Этвоша Лорана (ELTE) и Центра энергетических исследований венгерской исследовательской сети HUN-REN показали, что листья ктенанты, популярного декоративного домашнего растения, могут эффективно хранить воду в течение 45 дней благодаря клеточным слоям, запасающим воду, и таким образом сохранять свою фотосинтетическую активность и структуру хлоропластов неизменными.
Эволюционное завоевание суши стало особой проблемой для растений, привыкших к водной среде, которым пришлось адаптироваться ко многим факторам окружающей среды, включая, в частности, необходимость выживать даже в длительные периоды без осадков.
Некоторые виды выработали особые стратегии выживания в эти периоды, однако большинство наших экономически важных культур чувствительны к засухе, которая в последние десятилетия стала все более распространенной в Венгрии и во многих регионах мира в результате изменения климата.
Дефицит воды отрицательно влияет на метаболические процессы растений, включая фотосинтез, вырабатывающий энергию, тем самым влияя на их рост и урожайность, а в крайних случаях ведет к гибели растений. Только в Европейском союзе и Великобритании экономические потери, связанные с засухой (на полях), оцениваются в среднем в 9 млрд евро в год.
Засуха рассматривается как один из ведущих факторов рисков сельскохозяйственного производства. Это делает особенно важным изучение и понимание метаболизма видов растений, которые способны поддерживать фотосинтетическую активность и выживать в течение длительных периодов засухи.
«Растение ктенанта щетинистая сетоса (Ctenanthe setosa), произрастающее в Южной Америке, часто встречается как комнатное растение для зеленого декора в тропическом стиле. Мы получили ктенанты из коллекции Ботанического сада ELTE. Поскольку они могут выживать до 45 или 60 дней без полива, они идеально подходят для людей, которые склонны забывать поливать свои комнатные растения», - рассказывает Ричард Хембром, кандидат наук из Индии и первый автор статьи, опубликованной на эту тему.
Благодаря стипендии Stipendium Hungaricum Ричард Хембром, который сейчас учится в докторантуре ELTE, изучает, как стресс, вызванный засухой, влияет на структуру и функцию хлоропластов растений, в частности на их фотосинтетическую активность.
Исследования показали, что, хотя содержание воды в листьях растения ксенанты постепенно уменьшалось при засухе, и листья полностью скручивались, чтобы уменьшить потерю воды за счет испарения, функция и структура хлоропластов практически не менялись в течение длительного засушливого периода.
Под верхним (адаксиальным) и нижним (абаксиальным) эпидермисом листьев располагается особый слой клеток, который, предположительно, играет роль в сохранении воды, так как этот слой клеток на верхней стороне наиболее сильно истончился во время засухи.
Пурпурный цвет нижней (абаксиальной) стороны листа обусловлен наличием пигмента, называемого антоцианом, который может играть роль в защите листьев от яркого света, когда они подвергаются стрессу и скручиваются.
Структурный анализ пластид становится особенно сложным в условиях засухи, поскольку для электронно-микроскопического анализа большинство образцов необходимо готовить в соответствии со сложным протоколом, включающим водные или другие растворы фаз растворителя. Таким образом, нельзя гарантировать, что типичное состояние листа, находящегося в состоянии засухи, может сохраниться в течение этого времени, а добавление воды во время подготовки образца не повлияет на полученные результаты.
Этот вопрос представляет особый интерес, поскольку в нескольких статьях другие исследователи описали, основываясь на своих исследованиях с помощью электронной микроскопии, что внутренний просвет мешковидных, так называемых тилакоидных мембран в хлоропластах набухает при стрессе засухи. Однако для набухания, по-видимому, требуется вода, которой в таких условиях в растительных клетках очень мало, что звучит противоречиво.
Сотрудничество между биологами растений ELTE, изучающими растения, и физиками, имеющими опыт в измерениях малоуглового рассеяния нейтронов, также используемых в материаловедении, предоставило прекрасную возможность разрешить этот спор.
«Когда лист растения помещается в нейтронный пучок, нейтроны рассеиваются его фотосинтетическими тилакоидными мембранами, так называемыми гранами, которые состоят из нескольких слоев тилакоидов, наложенных друг на друга в регулярном порядке, - объясняет Рената Уннеп из Института энергетических исследований HUN-REN. - Из картины рассеяния удалось точно определить величину повторяющегося расстояния, которая характеризует структуру мембран и соответствует размеру повторяющихся основных единиц граны. Эта величина уменьшилась примерно с 20 нм в контрольных растениях до 19 нм в обезвоженных растениях».
Аналогичное уменьшение значений повторяющегося расстояния можно было обнаружить на электронно-микроскопических изображениях, полученных и исследованных после традиционной подготовки образцов.
Структура граны (звезда) в электронном микроскопе (слева, зеленая стрелка: мембрана оболочки, белая стрелка: стромальный тилакоид) и модель, демонстрирующая повторяющееся расстояние (основная единица граны). Фото: Eötvös Loránd University.
Это первый случай исследования структуры пластид полностью неповрежденных укорененных и горшечных растений с использованием малоуглового рассеяния нейтронов.
Два метода ясно подтверждают, что в данном случае высыхание действительно связано с усадкой тилакоидных мембран (гран), а повторное увлажнение - с их расширением.
Помимо новаторского использования малоуглового рассеяния нейтронов для структурного анализа в данной работе были подробно изучены молекулярная организация и функции фотосинтетического аппарата растения. Теперь проводятся дальнейшие исследования для лучшего понимания дополнительных регуляторных механизмов, которые позволяют этому растению сохранять структуру и функцию своего фотосинтетического аппарата практически неизменными даже после 45 дней дефицита воды. Понимание этих основных структурных и функциональных процессов способствует выведению более засухоустойчивых культур.
Источник и фото: Eötvös Loránd University.