Как растения измеряют поглощение углекислого газа

Когда воды мало, растения могут закрыть свои поры, чтобы предотвратить потерю слишком большого количества воды. Это позволяет им выживать даже в более длительные периоды засухи, но поскольку большинство пор закрыты, поглощение углекислого газа также ограничено, что ухудшает фотосинтез и, следовательно, рост и урожайность растений.

Растение балансирует между высыханием и голоданием в засушливых условиях с помощью сложной сети датчиков. Международная группа ученых-растений во главе с Райнером Хедрихом, биофизиком из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия, обнаружила эти датчики. Результаты были опубликованы в журнале Nature Plants.

Микроклапаны контролируют фотосинтез и подачу воды

Когда света много, растения открывают поры в своих листьях, чтобы поглощать углекислый газ (CO_{2), который они впоследствии превращают в углеводы в процессе, называемом фотосинтезом. При этом через микроклапаны уходит в сто раз больше воды, чем поступает углекислого газа.}

Это не проблема, когда воды достаточно, но когда почва пересыхает в середине лета, растению необходимо переключиться в эко-режим для экономии воды. Тогда растения откроют свои поры для осуществления фотосинтеза только до тех пор, пока это необходимо, чтобы едва выжить. Открытие и закрытие пор осуществляется с помощью специализированных замыкающих клеток, которые попарно окружают каждую пору. Единицы, состоящие из пор и замыкающих клеток, называются устьицами.

Охранные ячейки имеют датчики CO₂ и АВА

Защитные клетки должны иметь возможность измерять фотосинтез и подачу воды, чтобы соответствующим образом реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды. Для этого у них есть рецептор для измерения концентрации CO₂ внутри листа. Когда значение CO₂ резко возрастает, это признак того, что фотосинтез протекает неидеально. Затем поры закрываются, чтобы предотвратить ненужное испарение. Как только концентрация CO_{2 снова падает, поры вновь открываются.}

Водоснабжение измеряется гормоном. Когда воды не хватает, растения вырабатывают абсцизовую кислоту (АБК), ключевой гормон стресса, и устанавливают свой цикл управления CO_{2 в режим экономии воды. Это достигается за счет замыкающих клеток, оснащенных рецепторами АБК. Когда концентрация гормона в листе увеличивается, поры закрываются.}

Анализ CO₂-сеть ABA

Исследовательская группа JMU хотела пролить свет на компоненты циклов контроля замыкающих клеток. С этой целью они подвергали виды Arabidopsis воздействию повышенных уровней CO_{2 или ABA. Они делали это в течение нескольких часов, чтобы вызвать реакцию на уровне генов. После этого устьица были выделены из листьев для анализа соответствующих профилей экспрессии генов замыкающих клеток с использованием методов биоинформатики. Для этой задачи команда взяла на борт Тобиаса Мюллера и Маркуса Дитриха, двух экспертов по биоинформатике из Вюрцбургского университета..}

Эти два эксперта обнаружили, что паттерны экспрессии генов значительно различаются при высоких концентрациях CO₂ или ABA. Более того, они заметили, что чрезмерное количество CO_{2 также вызывает изменение экспрессии некоторых генов ABA. Эти результаты побудили исследователей более внимательно изучить сигнальный путь ABA. Их особенно интересовали рецепторы АБК семейства PYR/PYL (рецепторы пирабактина и пирабактин-подобные). У арабидопсиса 14 таких рецепторов, шесть из них в замыкающих клетках.}

рецепторы АБК под микроскопом

"Почему замыкающей клетке нужно целых шесть рецепторов для одного гормона? Чтобы ответить на этот вопрос, мы объединились с профессором Педро Луисом Родригесом из Мадридского университета, который является экспертом в области рецепторов ABA", говорит Хедрих. Команда Родригеса создала мутантов арабидопсиса, у которых они могли изучать рецепторы ABA по отдельности.

Это позволило нам назначить задачу каждому из шести рецепторов АБК в сети и идентифицировать отдельные рецепторы, ответственные за закрытие, вызванное АБК и СО_{2. устьиц», - объясняет Питер Аче, коллега Хедриха.}

Защитные ячейки используют ABA в качестве валюты в расчетах

«Из полученных данных мы пришли к выводу, что замыкающие клетки компенсируют текущую производительность фотосинтетической фиксации углерода состоянием водного баланса, используя ABA в качестве валюты», - объясняет Хедрич. «Когда водоснабжение хорошее, наши результаты показывают, что рецепторы ABA оценивают основной гормональный баланс как «бесстрессовый» и держат устьица открытыми для подачи CO_{2. Когда воды не хватает, рецепторы стресса от засухи распознают повышенный уровень АБК и заставляют замыкающие клетки закрывать устьица, чтобы предотвратить высыхание растения».}

Далее исследователи JMU стремятся изучить особые характеристики соответствующих рецепторов ABA и CO_{2, а также их сигнальные пути и компоненты.}