Каждый раз, когда температура падает, становится облачно или солнце садится, растение делает выбор: держать свои микроскопические поры, называемые устьицами, открытыми, чтобы поглощать углекислый газ и продолжать фотосинтез, или закрыть их, чтобы защитить свои драгоценные запасы воды.
Эта способность открывать и закрывать поры требует от растения реагирования на тонкие изменения окружающей среды путем регулирования давления внутри клеток устьиц — сложная способность, которую растения развили за сотни миллионов лет.
Междисциплинарная группа биологов, физиков и инженеров под руководством исследователей из Йельской школы окружающей среды разработала метод наблюдения за этими изменениями давления. Новый подход, подробно описанный в исследовании, опубликованном в PNAS, ускоряет процесс, при помощи которого ученые могут проводить измерения у большего количества видов этого явления, открывая новые возможности для исследований эволюции и физиологии растений с ценными приложениями для повышения эффективности использования воды, говорят исследователи.
«Почти каждое наземное растение использует этот принцип внутреннего давления для роста, размножения и выполнения всех функций, свойственных растениям, но ранее у нас практически не было доступа к этим измерениям. Таким образом, значительная часть фундаментальной теории о том, как функционируют растения, основана на крайне ограниченном наборе измерений всего лишь нескольких видов», - сказал Крейг Бродерсен, профессор физиологической экологии растений в Медицинском центре имени Говарда и Мэриам Ньюман и ведущий автор исследования.
Команда отметила, что это исследование является первым опубликованным применением метода на устьицах мохообразных (род, включающий мхи), что поможет лучше понять эволюционную траекторию древнейших растений Земли.
Для измерения изменений давления, которые механически заставляют устьица открываться и закрываться, ученые традиционно прокалывают клетки хрупкой стеклянной трубкой, которая имеет размер в малую часть ширины человеческого волоса. Трубки легко ломаются, и этот трудоемкий метод работает только с видами с более крупными клетками.
Напротив, новый подход использует лазерную систему, творчески адаптированную из исследований, проводимых в Йельской школе медицины для изучения регенерации нервов у червей.
Высокий импульс световой энергии испаряет жидкость внутри клетки, создавая крошечные пузырьки. Хотя пузырьки растворяются за доли секунды, команда измерила максимальный размер пузырька, который пропорционален давлению вокруг него, используя высокоскоростные камеры.
Затем исследователи наблюдали, как меняется давление, основываясь на том, насколько большим становится пузырь в ответ на изменение уровня освещенности. Команда успешно протестировала метод на более чем 40 видах растений, включая несколько с клетками, слишком маленькими для предварительного изучения.
Растворение микропузырьков кавитации в акклиматизированной к свету замыкающей клетке кипрея, Senecio minimus. Источник: Труды Национальной академии наук (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419887122
Количественная оценка этих изменений поможет ученым понять, как быстро устьица могут открываться и закрываться, что в конечном итоге определяет баланс между тем, сколько углерода поглощает растение, и тем, сколько воды оно теряет, пока его поры открыты.
«Эффективность использования воды, как называется эта мера, является центральной проблемой в сельском хозяйстве. Эти инструменты являются важным первым шагом в разработке сортов сельскохозяйственных культур, которые более эффективны в плане водопользования и улучшении управления орошением в условиях дефицита воды», - сказал Бродерсен.
Источник: Yale University.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
