Рост важнее фотосинтеза: Как деревья регулируют водный баланс

Растения имеют устьица — мелкие поры на нижней стороне листьев. На свету они открываются для поглощения углекислого газа (CO₂), необходимого для фотосинтеза. Одновременно через открытые устьица испаряется вода — у дерева это могут быть сотни литров в день.

При нехватке воды растения могут закрыть устьица, чтобы предотвратить избыточное испарение. Новое исследование Университета Базеля, опубликованное в Nature Plants, выяснило, когда и почему происходит это закрытие. Данные были получены в лесной лаборатории в Хёльштайне с помощью крана для изучения крон взрослых деревьев.

Баланс в кроне дерева

Испарение воды через устьица — пассивный процесс, сопровождающий поглощение CO₂. Потеря воды — это «плата» за фотосинтез. Закрывая устьица, дерево останавливает испарение, но и прекращает фотосинтез.

Ранее считалось, что деревья приоритизируют фотосинтез и держат устьица открытыми как можно дольше, закрывая их только в крайнем случае, — объясняет руководитель исследования профессор Ансгар Камен.

Испарение создаёт отрицательное давление в клетках и ксилеме (древесной ткани, транспортирующей воду от корней). Это всасывание поднимает воду в ствол и крону, восполняя потери.

Предотвращение коллапса системы

Обычно деревья восстанавливают водный баланс за ночь, когда устьица закрыты. Наполнение клеток водой создаёт тургорное давление, необходимое для роста клеток. Поэтому деревья растут ночью.

Если почва сухая, запасы воды не восполняются полностью. Низкая насыщенность клеток водой снижает тургорное давление и тормозит рост даже при умеренной засухе.

При усилении засухи всасывание в сосудах становится настолько сильным, что водяные столбы в древесной ткани разрываются. Образуются воздушные пузыри — эмболы. «Когда это происходит, возникает необратимое повреждение, система транспорта воды рушится, и растение в итоге погибает», — говорит Камен.

Ключевой фактор — водоснабжение дерева

Предполагалось, что для поддержания фотосинтеза деревья закрывают устьица лишь непосредственно перед образованием эмболов. Новое исследование показывает, что закрытие происходит раньше — когда ночью поглощение воды затруднено.

«Впервые мы смогли показать, что дерево даже не открывает устьица утром, если ночью не смогло поглотить достаточно воды», — говорит Камен. Это означает, что дерево жертвует фотосинтезом в пользу роста.

Такая приоритизация логична: если из-за нехватки воды рост останавливается, то продукты фотосинтеза не могут быть использованы. «Цель — не оптимизировать фотосинтез и поддерживать его как можно дольше, а максимально эффективно использовать его продукты для роста», — поясняет физиолог растений.

Углеродный цикл и климатические модели

Эти выводы могут повлиять на расчёты поглощения углерода лесами. Если при засухе устьица открыты меньше, чем предполагалось, деревья поглощают из атмосферы меньше CO₂.

«Климатические модели, предполагающие определённый рост объёма хранения углерода, необходимо будет адаптировать», — говорит ведущий автор Ричард Л. Питерс, бывший постдок Университета Базеля, а ныне профессор Мюнхенского технического университета.

В условиях изменения климата, ведущего к более тёплым и засушливым летам, поглощение углерода может измениться сильнее, чем считалось.

«Примечательно, что наши наблюдения за ранним закрытием устьиц применимы ко всем видам деревьев, лиственным или хвойным. То, насколько хорошо вид справляется с засухой, следовательно, не может определяться исключительно процессом закрытия устьиц», — заключает Питерс.