Растения используют фотосинтез для синтеза богатых энергией веществ, таких как углеводы, используя солнечный свет, воду и углекислый газ (CO₂), необходимые им для роста и метаболизма.
В то время как вода поглощается корневой системой растения, CO₂ необходимо поглощать из атмосферы. Для этого растение открывает свои крошечные устьица на поверхности листа, которые пропускают CO₂ внутрь, но это также приводит к потере воды наружу — подобно потоотделению у человека. Поэтому растения должны регулировать работу своих устьиц, чтобы получать достаточное количество CO₂ для фотосинтеза, не теряя при этом слишком много воды — что особенно сложно в жарких и засушливых условиях.
Некоторые виды растений, например, суккуленты, выработали стратегии адаптации к крайне засушливым условиям; они запасают воду в крупных клетках своих толстых мясистых листьев, стеблей или корней и, в отличие от большинства растений, открывают свои специализированные устьица для газообмена преимущественно ночью, когда температура ниже и потеря воды минимальна.
Международная исследовательская группа под руководством ученых из Института наук о растениях и Центра климатических исследований им. Оэшгера при Бернском университете в сотрудничестве с Ливерпульским университетом использовала листовой суккулент Kalanchoë laxiflora (каланхоэ рыхлоцветное лаксифлора), чтобы показать, как эти водосберегающие суккуленты формируют свои специализированные устьица. Таким образом, исследовательская группа закладывает основу для переноса подобных водосберегающих механизмов на сельскохозяйственные культуры в будущем. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.
«Модельная система — это хорошо изученный организм-образец — в нашем случае суккулентное растение — который можно использовать для расшифровки основных механизмов, которые могут быть перенесены на другие растения, например, на сельскохозяйственные культуры», — объясняет Синь Чэн, соавтор исследования и бывший аспирант Института растениеводства Бернского университета.
Хайке Линднер, соавтор исследования из Института растениеводства и Центра исследований изменения климата им. Оэшгера при Бернском университете, добавляет: «Ключевой особенностью Kalanchoë laxiflora является то, что она образует семена в относительно короткие сроки. Мы также расшифровали ее генетическую информацию и разработали методы генетической модификации растения. Это делает ее идеальным инструментом для детального анализа развития механизмов экономии воды у суккулентов».
Линднер недавно получила стартовый грант Швейцарского национального научного фонда (SNSF) на исследования развития сочности листьев и внедрения водосберегающего фотосинтеза в модельной системе Kalanchoë laxiflora.
В данном исследовании основное внимание уделяется так называемому белку MUTE, генному переключателю, который контролирует формирование клеток устьиц.
До сих пор в качестве классической модельной культуры в исследованиях в основном использовалось модельное растение резуховидка Таля. «Белок MUTE обеспечивает формирование так называемых замыкающих клеток у резуховидки Таля, арабидопсиса. Кроме того, MUTE ограничивает дальнейшее деление клеток у арабидопсиса, из которых могли бы образоваться специализированные вспомогательные клетки. Однако в нашей суккулентной модельной культуре Kalanchoë laxiflora белок MUTE стимулирует дополнительные деления клеток, из которых образуются характерные вспомогательные клетки. Наши результаты показывают, что эти вспомогательные клетки участвуют в транспорте ионов и, таким образом, поддерживают движение замыкающих клеток и способствуют регуляции газообмена», — объясняет Линднер.
Таким образом, функция белка MUTE у Kalanchoë laxiflora аналогична функции этого белка у злаков, где он также участвует в формировании специализированных вспомогательных клеток. В отличие от суккулентов, злаки не закрывают свои устьица в течение дня, но они также хорошо адаптированы к водному стрессу.
«Наши результаты показывают, что один и тот же генный переключатель MUTE способствует формированию вспомогательных клеток как у суккулентов, так и у злаков — растений, эволюционно далеких друг от друга и имеющих разные формы фотосинтеза, — помогая устьицам регулировать газообмен эффективным с точки зрения водопотребления способом», — объясняет Михаэль Райссиг, последний автор исследования и профессор Института растениеводства и Центра исследований изменения климата им. Оэшгера при Бернском университете.
Исследователи интерпретируют тот факт, что белок MUTE приобрел эту новую функцию у суккулентов и злаков — в отличие от резуховидки Таля — как убедительное свидетельство того, что этот генный переключатель обеспечивает разнообразие форм устьиц и, таким образом, напрямую способствует адаптации к различным местообитаниям и доступности воды. Райссиг добавляет: «Центральная и независимо развившаяся функция белка MUTE делает его особенно перспективной отправной точкой для модификации устьиц сельскохозяйственных культур, чтобы помочь им противостоять засухе».
«Результаты исследований Kalanchoë laxiflora имеют огромный потенциал для сельскохозяйственной практики, выходящий далеко за рамки фундаментальных исследований», — объясняет Райссиг. Как только станет ясно, какие гены и типы клеток обеспечивают сочность и, следовательно, водосберегающую жизнь растений, селекция и биотехнология смогут целенаправленно работать над внедрением или улучшением аналогичных признаков в культурных растениях — например, в зерновых, овощах или кормовых культурах.
«Если мы поймем эти процессы, то суккулентные системы можно будет внедрить в сельскохозяйственные культуры. В долгосрочной перспективе уроки, которые мы извлечем из изучения суккулентов, могут привести к созданию более устойчивых к засухе сортов, которые внесут важный вклад в обеспечение глобальной продовольственной безопасности во времена климатического кризиса и одновременно помогут сохранить водные ресурсы», — заключает Линднер.
Источник: University of Bern.
На заглавном фото: суккулентное растение Kalanchoë laxiflora в полном цвету. Мясистые листья позволяют ему накапливать воду и обеспечивают особый, чрезвычайно экономичный способ фотосинтеза. Автор фото: Хайке Линднер.
