Почти каждая калория, которую мы едим за один раз, прошла через вены растения. Если бы кровеносную систему растений можно было перенастроить, чтобы сделать доступными больше питательных веществ - за счет более крупных семян или более сладких помидоров, - фермеры всего мира могли бы накормить больше людей.
Исследователи из Вашингтонского государственного университета сделали большой шаг в этом направлении, раскрыв путь, по которому питательные вещества растения попадают из листьев, где они производятся посредством фотосинтеза, в «поглотители», которые могут включать плоды и семена, которые мы едим, и ветки мы перерабатываем на биотопливо. Исследователи обнаружили уникальную и критическую структуру, из которой выгружаются питательные вещества, что дало науке новый фокус в усилиях по повышению эффективности и продуктивности растений.
«Если вы можете увеличить силу погружения на 5 процентов и получить на 5 процентов больше продукта, вы будете смотреть на многомиллиардный рынок», - сказал Майкл Кноблаух, профессор Школы биологических наук WSU..
Определение мест посадки питательных веществ
Кноблаух в прошлом году завершил два десятилетия работы над внутренней работой растений, опубликовав в журнале eLife самую сильную поддержку 86-летней гипотезы о том, как питательные вещества перемещаются по растениям. Текущее исследование, также опубликованное в eLife, расширяет эту тему, рассматривая, где и как попадают питательные вещества..
«Мы едим в основном фрукты, коренья и семена, злаки и так далее», - сказал Кноблаух. «И все это добро находится не на месте фотосинтеза. Это на месте разгрузки. Таким образом, все сахара и все, что образуется в результате фотосинтеза, в основном перемещается в эти так называемые поглотители.
«Механизм разгрузки - очень важный шаг, потому что он определяет, сколько получает конкретная раковина», - сказал он. «Поэтому, если мы можем изменить так называемую силу погружения, мы можем в основном изменить, какой фрукт или корень получает больше».
Видео показывает выгрузку питательных веществ
Кноблаух, тогдашний докторант Тимоти Росс-Эллиотт и другие исследователи из WSU, Дании, Соединенного Королевства и Делавэра проанализировали Arabidopsis, горчичное растение и модельный организм, используя неинвазивную визуализацию, трехмерную электронную микроскопию и математическое моделирование. Они создали ряд замечательных видеороликов, показывающих растущие корни и флуоресцентно помеченные растворенные вещества и большие молекулы, движущиеся через флоэму, ткань, которая переносит растительные сахара, и разгружающиеся в соседние клетки.
Они обнаружили, что флоэма разгружается за счет конвекции, комбинации диффузии, перемещения растворенного вещества сахара из областей с высокой концентрацией в области с низкой и объемного потока, в котором транспортируются как растворенное вещество, так и раствор. Способствуют этому процессу плазмодесмы, поры, соединяющие соседние клетки.
Они также впервые увидели уникальные структуры, называемые «воронкообразными плазмодесмами». Они измеряют только 300 нанометров в поперечнике - 3/10 000 миллиметра и длину волны ультрафиолетового света. Несмотря на свой размер, воронкообразные поры обладают сопротивлением потоку в 1/400 меньше, чем обычные поры, и могут высвобождать крупные белки дискретными импульсами, что исследователи называют «пакетной разгрузкой».
Нацеливание на поглотители для получения большего количества питательных веществ
Их глубокое знание кровеносной системы растения дает исследователям новое понимание того, какие структуры могут быть нацелены на увеличение способности плода или корня втягивать питательные вещества, сказал Кноблаух.
"Это красивая, элегантная система", - сказал он. «Чем больше вы вытягиваете, тем больше получаете. Так что, если мы сможем увеличить силу поглощения конкретной интересующей раковины, мы сможем привлечь в эту раковину больше интересующих питательных веществ. Если мы хотим, чтобы плод томата лучше тонул, изменив разгрузку флоэмы, мы привлекаем больше питательных веществ к плоду и производим больше фруктового продукта».