Новые ферменты помогают растениям чувствовать повышенный уровень CO₂ и могут привести к созданию засухоустойчивых культур

Биологи идентифицировали растительные ферменты, которые могут помочь создать растения, использующие повышенную концентрацию углекислого газа для более эффективного расхода воды. Это открытие может помочь в разработке сельскохозяйственных культур, которые будут лучше использовать растущий уровень парниковых газов.

Растения поглощают необходимый для фотосинтеза CO₂ через микроскопические устьица на поверхности листьев. Однако за каждую полученную молекулу газа они теряют сотни молекул воды через эти же отверстия. Устьица могут сужаться, чтобы сохранить воду, когда CO₂ в избытке, но до сих пор механизм этой реакции был неизвестен.

Команда под руководством Джулиана Шрёдера, профессора биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, определила сенсорные белки, контролирующие эту реакцию. Ферменты, взаимодействующие с CO₂, заставляют клетки, окружающие устьица, закрываться. Результаты опубликованы в журнале Nature Cell Biology 13 декабря.

Открытие может помочь усилить эту реакцию у растений, которые не полностью используют преимущества повышенного уровня газа. «Многие растения очень слабо реагируют на CO₂. Поэтому, хотя атмосферная концентрация CO₂ сейчас намного выше, чем доиндустриального уровня, и продолжает расти, некоторые растения этим не пользуются. Они не сужают устьица, что позволило бы им поглощать CO₂, теряя меньше воды», — пояснил Шрёдер. «Возможно, с помощью этих ферментов можно улучшить эффективность использования воды растениями при поглощении CO₂ для фотосинтеза. Наши лабораторные данные показывают, что реакцию на CO₂ можно усилить».

Растения теряют до 95% поглощаемой воды через испарение этими порами (устьицами). Модификация культур для повышения их чувствительности к CO₂ может помочь фермерам удовлетворить спрос на продовольствие в условиях растущей конкуренции за воду. Например, в Калифорнии на сельское хозяйство приходится 79% воды, забираемой из рек или откачиваемой из-под земли.

Команда Шрёдера обнаружила пару белков, необходимых для реакции на CO₂ у растения Arabidopsis, часто используемого для генетического анализа. Эти белки — ферменты карбоангидразы, расщепляющие CO₂ на бикарбонат и протоны. Растения с отключенными генами этих ферментов не реагируют на повышение концентрации CO₂ в воздухе, упуская возможность экономить воду.

Хотя несколько типов клеток в листьях содержат карбоангидразы, команда показала, что ферменты работают непосредственно в замыкающих клетках, которые контролируют открытие каждого устьица. Добавив нормальные гены карбоангидразы, предназначенные для работы только в замыкающих клетках, ученые смогли восстановить реакцию закрытия устьиц на CO₂ у мутантных растений.

Добавление дополнительных копий этих генов в замыкающие клетки фактически повысило водную эффективность. «Замыкающие клетки реагируют на CO₂ более интенсивно, — сказал Хунхун Ху, соавтор исследования. — На каждую поглощенную молекулу CO₂ они теряют на 44% меньше воды».

Действие карбоангидраз специфично к изменениям именно CO₂. Мутантные растения по-прежнему открывают устьица в ответ на синий свет (сигнал к началу фотосинтеза) и закрывают их при нехватке воды (реакция на гормон стресса засухи).

Фотосинтез у мутантов также протекал нормально, что указывает на то, что изменение чувствительности к CO₂ не замедлит рост — хорошая новость для создания засухоустойчивых культур с высоким урожаем.

Однако экономия воды и выживание в жару связаны для растений с компромиссом: испарение воды через устьица также охлаждает растение, подобно тому, как пот охлаждает человека. Если будущие условия выращивания станут жарче и суше, как прогнозируется в некоторых регионах, модификации реакции на CO₂ потребуют тщательной калибровки.

Источник: University of California - San Diego