Обнаружен новый механизм адаптации растений к неблагоприятным условиям среды

Российские биологи определили механизм, который помогает растениям «предупреждать» свои разные части об опасности. Выяснилось, что они делают это с помощью особых электрических сигналов, которые снижают активность фотосинтеза, что, вероятно, подготавливает организм к переходу в режим выживания во время засухи, яркого света и жары. Это значит, что потенциально такие электрические сигналы можно использовать для сохранения сельскохозяйственных культур в экстремальных условиях. С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах Frontiers in Plant Science.

Растения могут выживать в крайне экстремальных природных условиях благодаря процессу адаптации. Неблагоприятные факторы окружающей среды (засуха, сильная жара и так далее) запускают физиологический ответ, который помогает растению приспособиться к новым условиям. Однако, чтобы изменения затронули весь растительный организм, нужна специальная информационная сеть — своего рода аналог нервной системы животных.

Так, в ответ на внешний стимул растительные клетки генерируют электрические сигналы. Они помогают донести до остальных частей растения, даже находящихся далеко от раздражителя, информацию о том, что что-то произошло, например, что один лист подвергся нападению вредителя. Электрические импульсы возникают в результате изменения концентрации ионов внутри и снаружи растительной клетки. Смещение баланса ионов приводит к деполяризации или гиперполяризации — накоплению положительного или отрицательного заряда внутри клетки соответственно. Эти изменения далее распространяются по растительным тканям. Таким образом, не пострадавшие ткани могут «подготовиться» и запустить защитные механизмы.

Ранее ученые предполагали, что растение передает сигналы в основном через деполяризацию — деполяризационные электрические сигналы. Однако подобный тип сигнализации наблюдался исключительно в критических ситуациях, например, при ожоге. В 2009 году ученые обнаружили, что растения также могут передавать сигнал при помощи гиперполяризации, например, в ответ на легкое повреждение листьев. На данный момент значимость и физиологическая роль этого типа сигнализации до конца не изучены. Ранее группа ученых из Национального исследовательского Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) продемонстрировала, что гиперполяризационные электрические сигналы являются ответной реакцией растений на слабые раздражители, характерные для естественных природных условий, например умеренный нагрев (около 40°С). В данной работе эти ученые исследовали, как именно гиперполяризационные электрические сигналы влияют на растения. В качестве основного показателя состояния организма выбрали фотосинтез, так как это ключевой процесс жизнедеятельности растительных организмов.

Оценить активность фотосинтетических реакций можно исходя из того, насколько эффективно растение использует солнечную энергию. Часть ее запасается в химических связях органических соединений, а избыток излучается в виде невидимого глазу свечения — флуоресценции. Если получаемая извне энергия будет слишком велика (например, из-за слишком яркого света), то она может запустить разрушительные для растения процессы. Для защиты фотосинтетического аппарата энергия тратится другим путем, а именно рассеивается в виде тепла. В результате флуоресценция уменьшается, и таким образом можно оценить, насколько велик стресс для растения.

В эксперименте ученые сочетали умеренный нагрев (около 40°С) и облучение синим светом, что может наблюдаться в реальных условиях при жаре и засухе. Кроме того, есть данные, что синий свет запускает волну электрических импульсов в растительной ткани. Флуоресценцию хлорофилла фиксировали при помощи специальной камеры. Электрические сигналы измерялись электродами, которые контактировали с растительной тканью в зоне облучения и нагрева. Также исследователи проанализировали изменение физиологического ответа растения на раздражители под влиянием засухи (7 или 14 дней без полива).

Результаты работы показали, что в разных комбинациях локальное повышение температуры и воздействие света стимулировали растения к генерации гиперполяризационных электрических сигналов, в том числе и при умеренной засухе (7 дней без воды). Их выраженность была напрямую связана со снижением эффективности фотосинтеза. Интересно, что в условиях сильной засухи (14 дней без воды) зарегистрированные сигналы были менее интенсивны, и изменений в фотосинтетических реакциях не наблюдалось, что подтвердило их участие в регуляции фотосинтеза растения.

Ученые сделали вывод, что исследованные сигналы играют важную роль в адаптации к неблагоприятным, но в целом переносимым условиям среды. Они подавляют фотосинтез, что помогает растению вместо роста и развития перейти в энергосберегающий режим. Дополнительно удалось показать: если на растение действуют сильные раздражители, то передача сигналов об опасности происходит уже другим путем.

«Результаты нашего исследования продемонстрировали альтернативный способ адаптации растений к неблагоприятным факторам среды. В дальнейшем планируется разработка комплексной математической модели распространения гиперполяризационных сигналов по растению. Мы также панируем провести анализ физиологических механизмов возникновения и распространения таких сигналов, что в будущем позволит обнаружить потенциальные мишени для их регулирования. Исследования в этой области помогут разработать новые методы сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в неблагоприятных условиях», — подытожила руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Любовь Юдина, кандидат биологических наук, доцент кафедры биофизики Института биологии и биомедицины ННГУ имени Н. И. Лобачевского.