'Растительное кино' показывает поток энергии

Ничто не работает без топлива: растения также зависят от топлива для роста и развития. В живых организмах топливом служит универсальная энергетическая валюта — аденозинтрифосфат (АТФ). Международная группа исследователей под руководством Боннского университета показала, как ведёт себя АТФ в разных частях живых проростков и как стресс влияет на их топливный статус. Результаты могут помочь в выведении более устойчивых сортов сельскохозяйственных культур. Это «растительное кино в реальном времени» представлено в журнале eLife.

АТФ — молекула, которая обеспечивает энергию универсально и напрямую. Этот принцип работает одинаково у людей, животных и растений: нет жизни, роста и развития без АТФ. «Наша работа делает этот энергоноситель видимым», — говорит д-р Маркус Шварцлендер, руководитель группы Эмми Нётер в Институте растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского университета.

Учёные из Германии, Италии, Китая, Англии и Дании под руководством двух биохимиков из INRES разработали инновационный способ визуализации АТФ в живом растении с помощью флуоресцентного белка. Команда использовала метод, разработанный Такэхару Нагаи из Осаки (Япония), при котором АТФ связывается с флуоресцентным белком медузы. «Этот метод позволяет отслеживать, где и сколько АТФ присутствует в живых растениях в реальном времени», — говорит ведущий автор Валентина Де Кол из Университета Удине (Италия).

От мельчайшей органеллы до целого растения

Большинство прошлых исследований были ограничены моментальными снимками. Целые растения или их части измельчали перед количественным определением АТФ. «Наша методология позволяет наблюдать за работающей машиной», — говорит Шварцлендер. «Машинами» были проростки модельного растения Arabidopsis thaliana. Исследователи смогли изучить под микроскопом и с помощью флуоресцентного анализатора как крошечные клеточные органеллы (например, митохондрии), так и целые органы (корни) и даже целые проростки.

Руководство для селекции новых сортов

«Растительное кино» показало распределение клеточного топлива в реальном времени. «При нормальном снабжении водой, воздухом и светом в корнях меньше АТФ, чем, например, в зелёных листьях», — сообщает Вагнер. Очевидно, больше энергоносителя вырабатывается в местах, где солнечный свет преобразуется в химическую энергию.

Чтобы изучить реакцию АТФ на стресс, исследователи поместили светящиеся проростки арабидопсиса под воду, лишив их жизненно важного снабжения кислородом. «Это не привело к немедленному подавлению производства АТФ. Содержание АТФ снижалось постепенно», — сообщает Шварцлендер. Похоже, растение активирует различные процессы акклиматизации, пытаясь защитить себя от прогрессирующего недостатка кислорода и поддержать энергетический баланс.

«Ключевой вопрос теперь в том, можно ли стимулировать эти защитные программы для выведения сортов растений, лучше справляющихся со стрессом», — говорит Шварцлендер о возможностях, которые новая методология открывает для будущих исследований. Использование инновационного метода также может позволить получить новые данные о том, как патогены вмешиваются в энергетический метаболизм растений и как в деталях работает взаимовыгодное взаимодействие корней с определёнными грибами — микоризой.