Новая водосберегающая кукуруза будет создана на основе второго пути регуляции воды - под, а не над поверхностью листа. Ученые открыли ранее неизвестный способ регуляции воды растениями, который настолько фундаментален, что может изменить учебники ботаники и открыть путь к выведению новых более засухоустойчивых культур, начиная с кукурузы.
До сих пор принято было считать, что единственным средством растения для регулирования потери воды являются поры на поверхности листа, называемые устьицами, которые обмениваются с атмосферой как водяным паром, так и углекислым газом.
Однако новое исследование впервые описывает, как регуляция воды происходит и под поверхностью листа, на мембранах фотосинтезирующих клеток. Этот результат стал возможным благодаря AquaDust — нанодатчику, разработанному в Корнелльском университете, который измеряет уровень воды внутри листьев.
«То, что мы обнаружили, происходит в пределах последних 100 микрометров длинного пути, который проходит вода в процессе транспирации от корня до места внутри листьев, где она испаряется», — рассказывает Эйб Струк, профессор имени Гордона Л. Диббла 1950 года в Школе химической и биомолекулярной инженерии Смита в Корнелльском инженерном университете.
Сабьясачи Сен, аспирант лаборатории Струка, и Пиюш Джайн, бывший сотрудник лаборатории Струка, разработавший AquaDust, а ныне соучредитель и генеральный директор стартапа Kubbly, являются первыми авторами исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Джайн и Струк являются соавторами статьи.
У растений вода, поглощаемая корнями, поднимается по сосудистой ткани, называемой ксилемой. В листьях вода из ксилемы испаряется из фотосинтезирующих клеток мезофилла в мельчайшие межклеточные пространства, где она выделяется в виде водяного пара через устьица.
В ходе исследования было установлено, что, хотя клетки мезофилла остаются насыщенными водой, мельчайшие межклеточные пространства вокруг них могут стать очень сухими. Эта разница в содержании воды возникает, когда вода проходит через мембраны клеток мезофилла, обеспечивая второй регулятор потока воды наряду с устьицами.
«В нашей лаборатории разработан инструмент, позволяющий заглянуть в крошечные воздушные пространства в листьях, чтобы измерить динамику водного стресса на клеточном уровне», — рассказал Струк об AquaDust — мягком синтетическом водопоглощающем геле, который заполняет межклеточное пространство в области мезофилла, набухает и сжимается в зависимости от наличия воды в листьях.
AquaDust также содержит красители, флуоресценция которых зависит от расстояния между молекулами красителя. Волоконная оптика или флуоресцентная микроскопия позволяют исследователям направить свет и получить спектральное измерение, выявляющее локальный водный стресс в листе. Это дает возможность увидеть, как вода движется внутри листа.
Открытие имеет важное значение, поскольку селекционеры растений ищут новые способы выведения более водосберегающих культур, однако процессы, которые регулируют устьица, создают особые проблемы.
Растения потребляют углекислый газ для фотосинтеза, чтобы производить сахара, необходимые для энергии и роста. Но при дефиците воды устьица закрываются, чтобы сохранить влагу, что также ограничивает поступление углерода и замедляет рост. Компромисс между ростом и экономией воды создаёт препятствия для селекционеров, пытающихся повысить эффективность водопользования, но исследование раскрывает потенциальный способ обойти эту проблему.
«Мы обнаружили новый признак, который избирательно блокирует избыточную потерю воды из листьев в атмосферу, не нарушая усвоение углерода, тем самым повышая эффективность использования воды», — сказал Сен.
Устьичная и неустьичная регуляция транспирации. Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2504862122
Исследователи уже работают с международной сельскохозяйственной компанией Corteva Agriscience, чтобы лучше понять, как вывести более водосберегающую кукурузу. «Если мир хочет заниматься селекцией с таким подходом, следующим шагом будет понимание того, какие гены контролируют этот признак», — сказал Сен.
Источники: Cornell University, Кришна Рамануджан; Proceedings of the National Academy of Sciences (2025), DOI: 10.1073/pnas.2504862122