Исследование ученых из Университета штата Колорадо (CSU) и Колорадского университета (CU), опубликованное в Journal of Experimental Botany под названием «Нет доказательств повторного заполнения ксилемы при восстановлении после засухи у неповрежденных подсолнечников», полностью опровергает прежние представления ботаников о том, как засуха влияет на разные растения.
Десятилетиями считалось, что подсолнечник умеет «чинить» свои сосуды после засухи. Когда растению не хватает воды, в его водопроводящих трубках (ксилеме) из-за сильного натяжения образуются пузырьки воздуха. Этот процесс называется эмболией (или кавитацией) сосудов. Воздушные пробки блокируют доставку воды от корней к листьям, подобно тромбам в крови человека.
Раньше ученые думали, что после полива подсолнечник выталкивает воздух и снова заполняет сосуды водой (рефиллинг). Но авторы нового исследования выяснили, откуда взялось это заблуждение.
В прошлых экспериментах ученые срезали стебли подсолнечника, чтобы изучить их под микроскопом. Сам процесс срезания приводил к искусственному всасыванию влаги, что создавало ложные результаты. Биологам казалось, что сосуды восстановились, хотя это происходило из-за повреждения во время анализа.
Ведущий автор исследования, постдок Джаред Стюарт применил метод низкодозовой микрокомпьютерной томографии (микро-КТ). Живые, неповрежденные подсолнечники сканировали прямо в процессе засухи и после полива.
Томография четко показала: воздушные пробки никуда не исчезают, а заблокированные сосуды никогда не заполняются водой снова. Да, внешне подсолнечник после полива выглядит ожившим: его листья снова поднимаются, и он частично возобновляет фотосинтез. Однако это физиологическая иллюзия. Растение выживает исключительно за счет тех немногих сосудов, в которые воздух попасть не успел. При этом огромная часть его водопроводной системы навсегда остается разрушенной. Полив возвращает подсолнечник к жизни, но засуха наносит ему необратимый внутренний ущерб, который снижает его общую выносливость и будущую урожайность.
Опыты с микро-КТ также продемонстрировали, что дикий ежовник обыкновенный (Echinochloa crus-galli, в народе известный как куриное просо) полностью устраняет эмболию за 24 часа.
Это дикорастущий сорняк, который близко родственен культурным злакам, таким как кукуруза, сорго и рис. Когда ежовник подвергли жесткой засухе, в его стеблях тоже образовались воздушные тромбы. Однако всего за сутки после полива сорняк полностью вытолкнул воздух из сосудов и заново заполнил их водой. Томография подтвердила: растение полностью «починило» свою гидросистему, не повредив ткани.
Итак, ежовник обыкновенный — близкий родственник кукурузы. Но ежовник умеет восстанавливать сосуды за сутки, а кукуруза (как и подсолнечник) — нет. Это значит, что у сорняка есть конкретные гены, отвечающие за данный механизм «ремонта». Генетики могут найти эти гены и попробовать перенести их в ДНК разных культур методами биоинженерии.
При выведении селекционеры теперь могут использовать микро-КТ. Вместо того чтобы ждать конца сезона и оценивать урожай, можно сразу отсеивать те гибриды, у которых сосуды навсегда гибнут после первой же засухи, и оставлять те, что способны хотя бы к частичному восстановлению.
Зная, что подсолнечник не восстанавливает сосуды, фермеры поймут: его нельзя доводить до критического увядания. Если воздух попал в ксилему подсолнечника, последующий обильный полив уже не вернет ему былую продуктивность. А вот поля с культурами, способными к рефиллингу, можно поливать реже, экономя воду.
На заглавном фото вы видите выделенные красным красителем ткани ксилемы на поперечном срезе подсолнечника. Фото предоставлено Джаредом Стюартом.
