New Phytologist: Растения тоже потеют из-за жары

Стоматы — многие знают их как устьица — это микроскопические поры на поверхности листьев. Они помогают растениям дышать, контролируя количество испаряемой воды. Через эти поры в растение поступает углекислый газ, необходимый для фотосинтеза и роста.

Учёные ещё в XIX веке выяснили, что в жаркую погоду растения расширяют устьичные поры, чтобы охладиться за счёт испарения водяного пара. Сегодня, когда глобальные температуры растут, этот механизм помогает минимизировать вред от жары.

Учёные Наттивонг Панкасем и Джулиан Шредер выяснили, как растения реагируют на повышение температуры.

Результаты исследования опубликованы в журнале New Phytologist.

Из-за повышения глобальных температур существует угроза для сельского хозяйства из-за волн жары, — говорит Шредер.

Учёные выяснили, что повышение температуры вызывает открытие пор с помощью одного генетического пути. Если жара усиливается, включается другой механизм, который ещё больше увеличивает открытие устьиц.

Десятилетиями учёные пытались понять, как именно это работает. Сложность в том, что при повышении температуры влажность воздуха (VPD) устанавливается на постоянное значение. Кроме того, сложно разделить реакцию температуры и влажности.

Панкасем предложил новый подход к фиксации VPD листьев при повышении температуры.

Он также изучил генетические механизмы ряда температурных реакций устьиц, включая датчики синего света, гормоны засухи, датчики углекислого газа и термочувствительные белки.

Благодаря новому анализатору газообмена учёные могут изучать влияние температуры на открытие устьиц без необходимости снимать листья с живых растений.

Исследование показало, что реакция устьиц на потепление объясняется механизмом, который встречается у всех растений. Панкасем изучил генетические механизмы двух видов растений: Arabidopsis thaliana (сорняк) и Brachypodium distachyon (близкородственно пшенице, кукурузе и рису).

Исследователи выяснили, что датчики углекислого газа играют важную роль в регуляции температуры растений. Они реагируют на повышение температуры листьев и запускают процесс фотосинтеза, в результате которого содержание углекислого газа уменьшается. Затем поры на поверхности листа открываются, и растение поглощает больше углекислого газа.

В ходе исследования учёные обнаружили, что в условиях экстремальной жары фотосинтез в растениях испытывает стресс и снижается. Устьичный тепловой ответ не зависит от датчиков углекислого газа и не связан с обычными реакциями фотосинтеза. Вместо этого поры используют другой механизм охлаждения — «потеют».

Растения будут требовать больше воды, так как их устьица открываются без пользы для фотосинтеза. Это может повлиять на эффективность использования воды культурными растениями и на планирование орошения в растениеводстве. Кроме того, увеличение транспирации растений из-за глобального потепления может иметь масштабные последствия для экосистем и гидрологического цикла.

Ричард Сайр, программный директор Директората биологических наук Национального научного фонда США, который частично финансировал исследование, сказал, что эта работа показывает важность фундаментальных исследований для решения проблем общества. В частности, они могут помочь повысить устойчивость сельского хозяйства и развить биоэкономику.

Дальнейшее изучение функционирования устьиц при более высоких температурах может привести к разработке стратегий по ограничению расхода воды в сельском хозяйстве в условиях глобального потепления.

Получив новые данные, Панкасем и Шредер теперь работают над пониманием молекулярных и генетических механизмов, лежащих в основе системы вторичного теплового ответа.

02.10.2024