Механизм, который помогает растениям «предупреждать» свои разные части об опасности, определили биологи Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Оказалось, что флоре помогают справиться с неблагоприятными условиями среды особые электрические сигналы, которые снижают активность фотосинтеза. По мнению ученых, это подготавливает организм растения к переходу в режим выживания во время засухи, яркого света и жары. Потенциально такие сигналы можно использовать для сохранения сельскохозяйственных культур в экстремальных условиях.
Растения умеют адаптироваться: недостаток воды, сильная жара или другие факторы запускают физиологический ответ, который помогает им приспособиться к новым условиям. Однако, чтобы изменения затронули весь растительный организм, нужна специальная информационная сеть — аналог нервной системы животных.
В ответ на внешний стимул растительные клетки генерируют электрические сигналы. Они помогают донести до остальных частей растения, даже если они далеко от раздражителя, информацию о «происшествии» (например о том, что один лист подвергся нападению вредителя). 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 затем 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 деполяризационные электрические сигналы. Но подобный тип сигнализации наблюдали только 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.
Ранее группа ученых из ННГУ имени Н. И. Лобачевского (Нижний Новгород) продемонстрировала, что гиперполяризационные электрические сигналы — это ответная реакция растений на слабые раздражители, характерные для естественных природных условий, например умеренный нагрев (около 40°С). В своей работе ученые исследовали, как именно такие сигналы влияют на растения. В качестве основного показателя состояния организма выбрали фотосинтез, так как это ключевой процесс жизнедеятельности растительных организмов.
В эксперименте исследователи сочетали умеренный нагрев (около 40°С) и облучение синим светом. Подобное можно наблюдать 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 измеряли электродами, которые контактировали с растительной тканью в зоне облучения и нагрева. Также ученые проанализировали изменение физиологического ответа растения на раздражители под влиянием засухи (неделя или две без полива).
Результаты работы показали, что в разных комбинациях локальное повышение температуры и воздействие света стимулировали растения к гиперполяризационным электросигналам, в том числе и при умеренной засухе (неделя дней без воды). Их выраженность была напрямую связана со снижением эффективности фотосинтеза. Интересно, что в условиях сильной засухи (две недели без воды) зарегистрированные сигналы были менее интенсивны, и изменений в реакциях не было. Это подтвердило их участие в регуляции фотосинтеза растения.
По мнению ученых, 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. 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», — рассказала руководитель проекта, кандидат биологических наук, доцент кафедры биофизики Института биологии и биомедицины ННГУ имени Н. И. Лобачевского Любовь Юдина.
С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах Frontiers in Plant Science.
