Группа ученых из Университета Нагои обнаружила новые соединения, которые могут контролировать движения устьиц у растений. Было показано, что некоторые из соединений предотвращают высыхание листьев и подавляют увядание при распылении на листья розы и овса. Дальнейшие исследования могут привести к разработке новых соединений, которые можно использовать для продления срока свежести срезанных цветов и цветочных букетов, снижения транспортных расходов на растения и применения в качестве засухоустойчивых средств для сельскохозяйственных культур.
Нагоя, Япония. Группа биологов растений и химик из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя и Университета Тохоку использовали химический скрининг для обнаружения новых соединений, которые могут контролировать устьичные движения растений. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Plant & Cell Physiology. Им удалось найти соединения, проявляющие активность закрытия устьиц, которые, как ожидается, будут полезны для устойчивости к засухе для подавления увядания растений, а также активность открытия устьиц, которая приведет к увеличению поглощения углекислого газа растениями, тем самым способствуя низкоуглеродному обществу.. В этом исследовании исследуется новый химический подход, который не полагается на классические генетические методы для регулирования устьичных отверстий у растений.
Устьица - это небольшие поры на поверхности растений, включая листья, лепестки цветов и другие органы, которые отвечают за газообмен с атмосферой. Через эти поры растения поглощают углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, и выделяют воду путем транспирации, что увеличивает поглощение питательных веществ корнями. Следовательно, регулирование устьичных отверстий необходимо для роста растений, а также для выживания в различных условиях окружающей среды.
Устьица состоят из пары замыкающих клеток и открываются в ответ на синий свет, присутствующий в солнечном свете. Открытие устьиц приводит к поглощению углекислого газа, что объясняет, почему фотосинтез происходит в течение дня. Когда растения находятся в темных условиях и/или при стрессе от засухи, происходит биосинтез растительного гормона абсцизовой кислоты (АБК), который вызывает закрытие устьиц. Устьица закрываются на ночь, чтобы растение не теряло воду.
Когда замыкающие клетки в устьицах обнаруживают синий свет, активируется фоторецептор фототропин и вызывает передачу сигналов внутри клетки. В результате передачи сигнала активируется фермент, протонный насос плазматической мембраны (PM H+-АТФаза), что приводит к поглощению ионов калия. Это вызывает поглощение воды и набухание клеток, открывающее устьица. Хотя известно, что активация PM H+-ATPase играет важную роль в открытии устьиц, полный механизм открытия устьиц еще предстоит выяснить.
«Поскольку мы были заинтересованы в раскрытии механизма открытия устьиц, мы решили использовать химическую библиотеку для изучения молекул, влияющих на открытие устьиц», - говорит профессор Тошинори Киношита, биолог растений из ITbM и руководитель этого исследования.. «Мы начали это исследование в 2014 году и стремились использовать химический подход вместо классических генетических методов, чтобы преодолеть такие недостатки, как летальность и избыточность генов. Мы также подумали, что использование соединений для регуляции устьичных движений будет полезно для разработка агрохимикатов."
ITbM, официально запущенная в 2013 году, имеет химическую библиотеку под управлением доктора Аято Сато, состоящую как из коммерческих соединений, так и из соединений, синтезированных химиками ITbM. Киношита посчитал это хорошей возможностью начать новый подход.
Используя траву бенгальский дневной цветок в качестве модельного растения, д-р Шигео То, г-н Шинпей Иноуэ и д-р Йосуке Тода создали экспериментальные условия для проверки более 20 000 соединений. Им удалось найти хитовые соединения после года выборочного скрининга химической библиотеки. Сюда входят 9 соединений, которые подавляют открывание устьиц под действием света более чем на 50%, и 2 соединения, которые вызывают открывание устьиц даже в темноте.
«Ключом к этому исследованию было как можно более эффективно скрининговать и находить подходящие соединения из огромного количества соединений», - описывает Киношита.
Дальнейший анализ соединений, закрывающих устьица (SCL), SCL1 и SCL2, показал, что они ингибируют сигнальные компоненты между рецептором фототропина и ферментом PM H+-ATPase, тем самым ингибируя индуцированную светом активацию PM H+-ATPase. и приводит к подавлению устьичного отверстия.
Исследователи также распыляли SCL1 на листья розы и овса и обнаружили, что увядание листьев успешно подавлялось в течение определенного периода времени.
«Это был лучший момент в наших исследованиях, когда мы обнаружили, что молекулы, которые мы обнаружили, оказывали влияние на подавление увядания листьев», - говорит Киношита.«Тот факт, что эти соединения вызывают закрытие устьиц по механизму, отличному от механизма растительного гормона, ABA, важен».
Наряду с эффектом закрытия устьиц в ответ на стресс от засухи известно, что АБК также является ингибитором прорастания семян и роста растений. Хотя АБК и ее производные в настоящее время разрабатываются в качестве реагентов для придания растениям засухоустойчивости, их побочные эффекты были проблемой. В настоящее время SCL1 оказывает влияние только на закрытие устьиц, поэтому команда считает, что это хорошая отправная точка для разработки новых реагентов для засухоустойчивости. Они считают, что эти типы составов будут полезны для сохранения свежести срезанных цветов, а также для снижения транспортных расходов, просто распыляя составы на растения.
«Мы надеемся, что сможем найти партнеров для дальнейшего изучения механизма открывания устьиц и совместной разработки соединений, которые можно применять для повышения засухоустойчивости различных растений, включая основные сельскохозяйственные культуры и цветы», - говорит Киношита.«Мы также считаем, что увеличение срока службы листьев может привести к увеличению вариаций листьев, которые можно использовать в традиционной японской цветочной композиции икебане, которая в настоящее время имеет тенденцию избегать использования простых листьев, которые могут легко увядать».