Растения функционируют как зеленые легкие нашей планеты. Это справедливо, поскольку одно большое дерево ежегодно выделяет более 120 кг кислорода в атмосферу Земли в результате ряда реакций фотосинтеза, подпитываемых солнечным светом. Однако во время паводков в тканях растений может возникнуть острая нехватка кислорода, стрессовая ситуация, которая каждый год приводит к существенной потере урожая всех основных сельскохозяйственных культур, таких как рис, пшеница и ячмень.
Исследователи с кафедр биологии Копенгагенского университета, Пизанского университета в Италии, Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена и Гейдельбергского университета в Германии обнаружили, что низкие концентрации кислорода (гипоксия) обеспечивают необходимые условия для роста растений.
«Вооружившись микроскопическими датчиками кислорода нового поколения, мы смогли измерить концентрацию кислорода в тканевой капсуле примерно из тридцати клеток, называемой апикальной меристемой побега», - говорит профессор Оле Педерсен из Копенгагенского университета.. «Мы обнаружили, что в этом регионе ниша с низким содержанием кислорода окружает стволовые клетки, которые отвечают за производство новых листьев и цветов. Здесь низкий уровень кислорода контролирует скорость образования новых листьев, способствуя стабильности белка., названный ZPR2, ответственный за пролиферацию и дифференцировку клеток».
Следовательно, большинство тканей растений серьезно страдают от гипоксии, вызванной наводнением, но это новое исследование ясно показывает, что гипоксия является необходимым условием для поддержания стволовых клеток.
Это открытие последовало за сделанными в последние годы открытиями о контроле метаболизма растений при анаэробиозе, также опубликованными в Nature and Nature Communications, и представляет собой шаг вперед к пониманию того, как производство новых органов связано с параметрами окружающей среды, которые влияют на рост и продуктивность растений.
Потребность в низком уровне кислорода для поддержания стволовых клеток характерна не только для растений. Также несколько типов стволовых клеток животных, в том числе человека, имеют ту же особенность. Это примечательно, поскольку растения и животные очень четко связаны между собой в эволюционном контексте, но и те и другие представляют самый высокий уровень сложности с точки зрения многоклеточной организации в тканях. По-видимому, создание и поддержание низкого содержания кислорода является необходимым условием деятельности «фабрик» новых клеток и, следовательно, развивалось независимо как у растений, так и у животных.
Применения этого открытия двояки. Теперь перед селекционерами стоит новая цель по селекции новых сортов сельскохозяйственных культур, лучше приспособленных для поддержания продуктивности в субоптимальных условиях, влияющих на дыхание, таких как высокая температура или быстрое наводнение. Более того, исследователи теперь будут сравнивать стволовые клетки растений и животных, чтобы раскрыть секреты поддержания стволовыми клетками и развития органов.