Как растения измеряют поглощение углекислого газа

Растения балансируют между высыханием и голоданием в засушливых условиях с помощью сложной сети сенсоров. Международная группа учёных под руководством биофизика Райнера Хедриха из Университета Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (Германия) определила эти сенсоры. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants.

Микроклапаны контролируют фотосинтез и водоснабжение

При обилии света растения открывают устьица (поры) в листьях, чтобы поглощать углекислый газ (CO₂) для фотосинтеза. При этом через микроклапаны испаряется в сто раз больше воды, чем поступает CO₂. В засуху растения переключаются на «эко-режим», чтобы экономить воду, открывая устьица лишь на минимально необходимое время.

Открытие и закрытие пор осуществляют специализированные замыкающие клетки, окружающие каждую пору. Эти комплексы называются устьицами.

Замыкающие клетки имеют сенсоры для CO₂ и АБК

Замыкающие клетки измеряют фотосинтез и водоснабжение, чтобы реагировать на изменения среды. Для этого у них есть рецептор для измерения концентрации CO₂ внутри листа. Резкий рост уровня CO₂ — сигнал, что фотосинтез идёт неидеально, и поры закрываются, чтобы предотвратить испарение. Когда концентрация CO₂ падает, поры снова открываются.

Водоснабжение измеряется через гормон. При нехватке воды растения производят абсцизовую кислоту (АБК) — ключевой гормон стресса. Замыкающие клетки оснащены рецепторами АБК. При росте концентрации гормона поры закрываются.

Анализ сети CO₂–АБК

Исследователи из Вюрцбурга изучили компоненты контрольных циклов замыкающих клеток. Они подвергли растения Arabidopsis воздействию повышенных уровней CO₂ или АБК в течение нескольких часов, чтобы вызвать реакции на уровне генов. Затем устьица были изолированы для анализа профилей экспрессии генов в замыкающих клетках с помощью биоинформатики.

Было обнаружено, что паттерны экспрессии генов значительно различались при высоких концентрациях CO₂ или АБК. Также выяснилось, что избыток CO₂ изменяет экспрессию некоторых генов АБК. Это заставило учёных детальнее изучить сигнальный путь АБК, в частности рецепторы АБК семейства PYR/PYL (pyrabactin receptor and pyrabactin-like). У Arabidopsis 14 таких рецепторов, шесть из них — в замыкающих клетках.

Рецепторы АБК под микроскопом

Чтобы понять, зачем замыкающей клетке шесть рецепторов для одного гормона, учёные сотрудничали с профессором Педро Луисом Родригесом из Мадридского университета. Его команда создала мутанты Arabidopsis, в которых можно было изучать рецепторы АБК по отдельности.

Это позволило определить задачу каждого из шести рецепторов АБК в сети и идентифицировать индивидуальные рецепторы, ответственные за закрытие устьиц, индуцированное АБК и CO₂.

Замыкающие клетки используют АБК как валюту для расчётов

«Мы заключаем, что замыкающие клетки сопоставляют текущие показатели фиксации углерода при фотосинтезе с состоянием водного баланса, используя АБК в качестве валюты», — объясняет Хедрих. — «При хорошем водоснабжении рецепторы АБК оценивают базовый гормональный баланс как практически "свободный от стресса" и держат устьица открытыми для снабжения CO₂. При нехватке воды рецепторы засухи распознают повышенный уровень АБК и заставляют замыкающие клетки закрыть устьица, чтобы предотвратить высыхание растения».

Следующим шагом исследователи планируют изучить особенности рецепторов, реагирующих на АБК и CO₂, а также их сигнальные пути и компоненты.