Растения «дышат» миллионами крошечных ртов — лазеры пролили свет на эволюцию поведения устьиц

Поведение растений может показаться скучным по сравнению с животными. Однако их жизнь полна динамичных процессов. Один из них — динамичное открытие и закрытие миллионов крошечных «ртов» (устьиц) на каждом листе, через которые растения «дышат». При этом они выделяют воду, полученную из почвы, в обмен на драгоценный углекислый газ из воздуха, необходимый для производства сахара в процессе фотосинтеза.

Неправильное время открытия устьиц может привести к потере воды и катастрофическому высыханию сосудистой системы растения. Почти все наземные растения очень точно контролируют свои устьица в ответ на свет и влажность, чтобы оптимизировать рост и минимизировать риски.

В новой статье, опубликованной в PNAS, исследователи использовали лазеры, чтобы выяснить, как могли работать самые ранние устьица.

Крошечные клапаны с глобальными последствиями

От поведения устьиц зависит многое: продуктивность растений, чувствительность к засухе и темп глобальных циклов углерода и воды.

Каждое устьице похоже на крошечный клапан, работающий под давлением. Его окружают «замыкающие клетки». Когда давление жидкости в них увеличивается, они набухают и открывают пору. Когда давление падает, клетки сжимаются и пора закрывается.

Лазеры, пузырьки и эволюция

Крейг Бродерсен из Йельского университета разработал новый микроскоп с лазерным наведением. Он может создавать микроскопические пузырьки внутри отдельных клеток, управляющих устьичной порой.

Исследователи научились определять давление внутри устьичных клеток, отслеживая размер этих пузырьков и скорость их схлопывания. Этот метод предоставил возможность изучить различия в поведении устьиц у основных групп растений.

Целью было проверить гипотезу, что эволюция поведения устьиц следует предсказуемой траектории. Она началась с относительно простого пассивного контроля (сохранившегося у современных папоротников и плаунов) и развилась до более активного гормонального механизма контроля, наблюдаемого у современных хвойных и цветковых растений.

Некоторые исследователи ранее сообщали о сложном поведении устьиц у самых древних растений, имеющих устьица, — у мохообразных. Авторы решили проверить это с помощью своего нового лазерного инструмента.

400 миллионов лет развития

Во-первых, новая лазерная методика измерения давления сработала отлично. За несколько месяцев было сделано почти 500 измерений динамики давления в устьицах. Это значительный прогресс по сравнению с предыдущими 45 годами, за которые было сделано менее 30 аналогичных измерений.

Во-вторых, было обнаружено, что устьица у представителей мохообразных (антоцеротовых и мхов) не обладали даже самыми базовыми реакциями на свет, которые есть у всех других наземных растений.

Этот результат подтвердил более раннюю гипотезу о том, что первые устьица у предков современных мохообразных 450 миллионов лет назад должны были быть очень простыми клапанами, лишёнными сложного поведения, характерного для современных цветковых растений.

Результаты показывают, что поведение устьиц существенно изменилось в процессе эволюции, и эти функциональные изменения сохранились в разных основных группах наземных растений.

Как растения переживут будущее

Теперь можно с уверенностью сказать, что устьица мхов, папоротников, хвойных и цветковых растений ведут себя по-разному. Важное следствие: они будут по-разному реагировать на грядущие изменения температуры атмосферы и доступности воды. Прогнозирование поведения устьиц в будущем поможет предсказать эти воздействия и выявить уязвимость растений.

С точки зрения сельского хозяйства, новый лазерный метод достаточно быстр и чувствителен, чтобы выявить даже небольшие различия в поведении близкородственных растений. Это может помочь идентифицировать сорта сельскохозяйственных культур, которые используют воду более эффективно, что поможет селекционерам найти сорта, лучше преобразующие всё более непредсказуемые запасы почвенной воды в пищу.

Судьба человечества, связанная с продуктивностью лесов и сельскохозяйственных культур в будущем климате, зависит от поведения устьиц разных видов. Это веская причина изучать эти скромные маленькие клапаны.