Растущее население мира означает, что требуется больше продовольствия, что, в свою очередь, может потребовать больше земли для выращивания продовольственных культур. Однако расширение сельского хозяйства приводит к увеличению орошения, особенно для выращивания продовольственных культур, таких как кукуруза и пшеница, особенно в засушливых регионах. В сочетании с применением удобрений это приводит к накоплению солей в почвах. Для возможности использования засоленных почв большой интерес представляют естественно солеустойчивые растения, так называемые галофиты. К ним относится псевдозлаковая лебеда (Chenopodium quinoa). Киноа возникла в Андском регионе и адаптирована к суровым условиям окружающей среды. В южноамериканских горах злаковое растение используется в качестве пищевой культуры уже 7000 лет. Без глютена и с высоким содержанием витаминов съедобные семена теперь появились в европейских супермаркетах.
Квиноа использует клетки мочевого пузыря для опреснения воды
Квиноа, которая богата минералами и витаминами, изолирует избыток соли в волосовидных клетках мочевого пузыря. Эта морфологическая приспособленность делает растение устойчивым к засоленным условиям. Эти конечные места хранения соли, соединенные с внешним клеточным слоем листьев, предотвращают накопление токсичных уровней хлорида натрия (NaCl), также известного как поваренная соль, в ткани листа. Под руководством профессора Райнера Хедриха из Вюрцбургского университета международная группа исследователей, состоящая из ученых из Мюнхена, Генуи (Италия), Хобарта (Австралия), Шанхая (Китай) и Эр-Рияда (Саудовская Аравия), выяснила молекулярный механизм того, как клетки мочевого пузыря хранят соль. Они опубликовали свои результаты в журнале Current Biology.
Перенос соли из почвы в солевой пузырь
Когда киноа подвергается воздействию засоленных почв, ионы натрия и хлора перемещаются от корня через побеги и листья в солевые пузыри, где они в конечном итоге накапливаются в вакуолях. На пути в солевые пузыри ионам приходится преодолевать несколько мембранных барьеров. Это достигается транспортными белками, которые специализируются на ионах натрия (Na+) и хлора (Cl-).
По сравнению с культурами, которые не являются солеустойчивыми, эти транспортные белки не нуждаются в повторной сборке при увеличении солевой нагрузки, скорее, они уже на месте до того, как начнется стресс. «Эта стратегия позволяет лебеде немедленно переносить внезапно появившуюся соль в окончательное хранилище без каких-либо дополнительных шагов по регуляции генов», - говорит Хедрич.
Натриевый канал - это улица с односторонним движением
Свойства этого натриевого канала не только обеспечивают непрерывный транспорт ионов натрия из листа в клетки мочевого пузыря, где они могут храниться в высокой концентрации.«Что особенного в этом механизме, так это то, что он предотвращает обратный поток натрия и, следовательно, утечку Na+ в листья, даже когда накопленный натрий достигает очень высокого уровня», - говорит доктор Дженнифер Бём, первый автор исследования. Таким образом, натриевый канал действует как предохранительный клапан, что делает его ключевым компонентом окончательного хранения соли в соляных пузырях.
Когда соль находится в листьях, ионы Na+ и Cl- должны транспортироваться через плазматическую мембрану в цитозоль (внутриклеточную жидкость) солевых пузырей. По аналогии с ионами натрия растение обеспечивает направленный транспорт ионов хлора в клетку.
У растений повышение уровня хлорида натрия в цитозоле токсично для многих метаболических процессов. Следовательно, лебеда изолирует соль в окруженных мембраной вакуолях за пределами своих метаболически активных частей. Эта вторая мембрана, через которую должны пройти ионы натрия и хлора, называется тонопластом. Здесь также транспорт соли происходит только в одном направлении.
Перенос в окончательное хранилище еще предстоит изучить
«Это исследование дало фундаментальную информацию, которая позволит нам в будущем селективно разводить солеустойчивые культуры», - говорит Хедрич. «Мы пролили свет на молекулярные компоненты хранения соли. Но мы хотим дополнительно исследовать, как соль переносится из листьев в место конечного хранения», - говорит Бём. Соль должна транспортироваться через небольшое туннельное соединение, стебельчатые клетки между солевыми пузырями и эпидермисом листа.