Новая работа совместной группы биологов-растений и экологов из Карнеги и Стэнфордского университета раскрыла фактор, лежащий в основе важного новшества, благодаря которому растут травы - как те, что составляют родные прерии, так и те, которые мы приручили для выращивания сельскохозяйственных культур. - среди самых распространенных и распространенных растений на планете. Их результаты могут позволить выращивать растения, которые лучше себя чувствуют в более теплых и сухих климатических условиях, и опубликованы журналом Science.
Все наземные растения поглощают углекислый газ (CO2) из атмосферы и «выдыхают» кислород и водяной пар. Этот обмен необходим для роста растений; углекислый газ превращается в сахара в результате фотосинтеза - процесса, при котором растения превращают солнечную энергию в пищу. Но это также является основной движущей силой глобальных климатических циклов.
Растение должно сбалансировать свою способность поглощать CO2 с потенциальной потерей воды. Для достижения этого баланса он использует крошечные клеточные клапанообразные поры на поверхности своих листьев, называемые устьицами (от греческого слова, обозначающего рот). У трав эти клапаны настроены особенно хорошо; они могут широко открываться, чтобы максимизировать поглощение CO2, и быстро закрываться, когда окружающие условия приводят к увеличению потери воды.
Поскольку травяные культуры, такие как кукуруза, пшеница и рис, являются основным источником пищи, группа Карнеги-Стэнфорд хотела узнать, почему устьица у этих конкретных растений работают намного лучше, чем у других растений. Одной из очевидных особенностей является то, что у большинства растений устьица состоят всего из двух так называемых «защитных клеток», но у злаков есть дополнительная пара клеток с каждой стороны, которые называются «вспомогательными клетками».«Эти вспомогательные клетки позволяют сторожевым камерам открываться и закрываться особенно быстро.
Кроме того, в то время как замыкающие клетки многих растений имеют форму почки, замыкающие клетки травы имеют необычную форму «гантели». Вспомогательные клетки рядом с этими клетками, напоминающими гантели, обеспечивают механический импульс, позволяющий им широко раскрываться.
В этом исследовании под руководством Доминика Бергманна, почетного адъюнкт-сотрудника факультета биологии растений Университета Карнеги и профессора биологического факультета Стэнфордского университета, исследователи использовали родственника пшеницы под названием Brachypodium, чтобы продемонстрировать, что все устьица травы с конфигурация с четырьмя ячейками, включая две вспомогательные ячейки, действительно более чувствительна к изменяющимся условиям окружающей среды и имеет более широкий диапазон отверстий для открытия и закрытия пор. Эта чувствительность, вероятно, повышает производительность растения, особенно в условиях высоких температур или засухи.
Кроме того, команда, включая ведущего автора Майкла Рэйссига из Стэнфорда и исполняющего обязанности директора Carnegie Global Ecology Джозефа Берри, использовала сложные исследовательские методы для определения конкретного гена, который позволяет Brachypodium формировать боковые вспомогательные клетки. Ген, названный BdMUTE, кодирует белок, который считается «главным регулятором» поведения клеток, включая и выключая другие гены, придающие клеткам их уникальные свойства. Без этого основного регулятора устьица Brachypodium напоминают более примитивные двухклеточные устьица, встречающиеся у других растений, и исследовательская группа показала, что травы с этими двухклеточными устьицами работают плохо.
Что было особенно интересно и удивительно, так это то, что BdMUTE не является совершенно новым белком, который содержится только в травах. Скорее, это слегка модифицированная версия белка, который десять лет назад, как было показано, играет другую роль в образовании двухклеточных устьиц у широколистного горчичного растения Arabidopsis. Когда клетка арабидопсиса подвергается воздействию этой версии белка MUTE, она получает сообщение о том, что должна посвятить себя созданию замыкающих клеток. У Brachypodium, однако, белок перемещается из предшественников замыкающих клеток в соседние клетки и затем побуждает этих соседей становиться вспомогательными клетками в четырехклеточном комплексе.
"Может ли мобильность травяной версии MUTE быть ключом к способности этого главного регулятора устанавливать эти физиологически улучшенные четырехклеточные травяные устьица?" - спросил Райсиг.
"И можно ли использовать это открытие, чтобы сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к теплому климату и условиям дефицита воды?" добавил Бергманн. «Это представляет собой интересную цель для дальнейших исследований, направленных на разработку формы и функции устьиц, чтобы помочь сельскохозяйственным культурам справиться с изменяющимся климатом и, в конечном итоге, обеспечить продовольствием наше постоянно растущее население».
"Эта элегантная работа Доминика и его коллег является прекрасной иллюстрацией того, как растения вырабатывали решения для решения физиологических проблем". - сказала Сью Ри, директор отдела биологии растений Университета Карнеги.