Учёные раскрыли механизм «дыхания» растений и влияние человека на их «лёгкие»

Исследователи выяснили, как растения формируют сеть воздушных каналов — «лёгкие» листа — для транспорта углекислого газа (CO₂) к своим клеткам.

Ботаникам с XIX века известно, что листья имеют поры (устьица, или stomata) и содержат сложную внутреннюю сеть воздушных полостей. Однако до сих пор было неясно, как эти каналы формируются именно в нужных местах, чтобы обеспечить постоянный приток CO₂ к каждой клетке.

Новое исследование, проведённое учёными из Института устойчивого питания Университета Шеффилда и опубликованное в Nature Communications, использовало методы генетической манипуляции. Оно показало: чем больше устьиц на листе, тем больше воздушного пространства в нём формируется. Эти каналы действуют подобно бронхиолам — мелким проходам, которые доставляют воздух к газообменным поверхностям в лёгких человека и животных.

В сотрудничестве с коллегами из Университета Ноттингема и Ланкастерского университета было доказано, что движение CO₂ через устьица, скорее всего, определяет форму и масштаб сети воздушных каналов.

Это открытие — значительный шаг вперёд в понимании внутренней структуры листа и того, как функция тканей может влиять на их развитие. Это может иметь последствия за пределами биологии растений, например, в эволюционной биологии.

Исследование также показало, что пшеница, которую веками выводили люди, имеет меньше устьиц на листьях и меньше воздушных каналов. Это делает её листья более плотными и позволяет выращивать растение с меньшим потреблением воды.

Это новое понимание подчёркивает потенциал для учёных сделать такие основные культуры, как пшеница, ещё более водоэффективными, изменяя внутреннюю структуру их листьев. Такой подход уже применяется другими учёными Института, которые создали риc и пшеницу, устойчивые к климату и способные пережить экстремальную засуху.

Профессор Эндрю Флеминг (Институт устойчивого питания, Университет Шеффилда):

«Это важное открытие показывает, что движение воздуха через листья формирует их внутреннюю работу — это имеет последствия для нашего взгляда на эволюцию растений. Тот факт, что люди уже непреднамеренно повлияли на „дыхание“ растений, выводя пшеницу, которая использует меньше воды, говорит о том, что мы можем целенаправленно изменять эти сети воздушных каналов, чтобы создать культуры, способные пережить более экстремальные засухи, ожидаемые из-за климатических изменений».

Доктор Марджори Лундгрен (Leverhulme Early Career Fellow, Ланкастерский университет):

«Мы пошли на шаг дальше, показав, что устьица фактически должны обмениваться газами, чтобы воздушные пространства расширялись. Это рисует гораздо более интересную картину, связанную с физиологией».

Работа по рентгеновской компьютерной томографии (КТ) была выполнена в Hounsfield Facility (Университет Ноттингема). Её директор, профессор Саша Муни, отметил:

«Мы разработали методику для 3D-визуализации клеточной структуры листа, что позволяет увидеть, как сложная сеть воздушных пространств внутри него контролирует его поведение. Это очень захватывающе».