Растения, которые не потеют

Хотя растения и выделены в отдельное царство, их организм, как и наш, нуждается в газообмене и терморегуляции. В отличие от специализированных и разделенных систем большинства многоклеточных животных у растений эти функции выполняет единственная структура, называемая устьицем.

Эта микроскопическая пора ведет в небольшую полость и окружена двумя замыкающими клетками, способными закрывать и открывать обмен парами и газами с окружающей средой. Такая активная регуляция позволяет не только реагировать на изменения температуры и предотвращать избыточную потерю воды в жаркие часы, но и защищать лист от повреждающего действия озона.

Известно, что в ходе фотосинтеза, благодаря которому существует почти вся известная жизнь на нашей планете, в растениях происходит превращение углекислого газа и воды в органические молекулы моносахаридов и кислорода. Таким образом, в органических веществах в ходе этой реакции запасается энергия Солнца, которая и стоит в начале всей пищевой цепи.

Углекислый газ для участия в фотосинтезе попадает внутрь листьев и лепестков только через устьица, поскольку толстая кутикула, покрывающая листья и клеточные стенки, препятствуют его непосредственному прохождению через мембраны, как это, например, происходит в наших легких.

«Желание» растений использовать в фотосинтезе весь доступный углекислый газ приводит к тому, что подъем его концентрации в атмосфере незамедлительно вызывает расширение устьиц. Однако совместно с ускорением газообмена более интенсивно происходит и испарение воды, каждая капля которой с трудом достается даже тем, кто растёт на болотах, не говоря уже о суккулентах – обитателях пустынь.

Изучение механизмов работы этой клеточной структуры и явилось целью работы двух научных групп.

В то время как японские специалисты нашли семейство генов, отвечающих за работу этих клеток, другая международная команда исследователей независимо создала «цветок», не реагирующий на колебания углекислого газа в окружающей среде.

Практически все «движения» растений обеспечиваются изменением содержания воды, а соответственно, и объема тех или иных клеток. По такому же принципу работают и замыкающие клетки устьиц, но в отличие от животных систем они самодостаточны – то есть функции восприятия и ответного действия объединены в одну клетку. Воспринимают же эти клетки практически все важные события в жизни растения – колебания концентрации CO₂, абсцизовой кислоты, озона, переход от темного к светлому, изменения влажности, появлению ионов кальция, пероксида водорода и оксида азота.

Изменения, связанные с этими факторами, приводят к отмыканию анионных каналов, пропускающих в клетку хлор и малат; вместе с анионами в клетке накапливается и вода, вызывающая в итоге «разбухание» и открытие устьица. Или наоборот – при повышенной концентрации CO₂ в окружающей среде растение пытается максимально его использовать, «выгоняя» из клеток ионы, а заодно и воду, – в результате устьице закрывается.

Белок SLAC1, ставший объектом исследования, равно как и структура самих каналов, были неплохо изучены прежде, но их связь, а главное, влияние на жизнедеятельность всего растения ученые показали только сейчас.

Выбор белка объяснялся наличием его гомологов, регулирующих ток анионов у грибов и бактерий. Выбор же растительной модели учеными даже не обсуждался, так как Arabidopsis thaliana был не просто первым, но до недавнего времени и единственным видом растений с полностью расшифрованной последовательностью генома. Значение этого растения для ботаников сходно с важностью дрозофилы и круглого червя C. elegans для зоологов. Многочисленные же генетические опыты на нем уже успели объяснить некоторые механизмы циркадианных ритмов, фотосинтеза и даже защитных реакций.

Японские ботаники начали свою работу с поиска гена, кодирующего SLAC1, и локализации последнего в растении. Выяснилось, что все семейство этих генов участвует в формировании анионных каналов, а локализованы каналы преимущественно в области устьиц.

Дальнейшие действия экспериментаторов ничем не отличалась от многочисленных опытов с мышами – ученые создали так называемых нокаутных особей, у которых этот ген был дефективен. Эти «генетически модифицированные растения» не реагировали на подъем концентрации углекислого газа в воздухе открытием устьиц, а за счет этого существенно экономили драгоценную влагу.

Стоит признать, природа уже давно сама нашла альтернативу статическим устицам – устьица суккулентов обычно залеплены воском, а потому испарение воды через них практически не происходит. За это, впрочем, приходится платить недостатком углекислого газа, а следовательно, и относительно медленным ростом.

По мнению ученых, это открытие в перспективе может оказаться полезным при создании видов сельскохозяйственных культур, устойчивых к засухе, что особенно актуально в связи с прогнозами экологов и метеорологов на ближайшее будущее. Однако генным инженерам, по всей видимости, придется искать альтернативный механизм доставки CO₂к клеткам.