Похожие статьи
Листья растений могут справляться с гораздо более высокими концентрациями соли, чем корни. Механизм, лежащий в основе этого явления, может помочь в создании более солеустойчивых культур.
Фото: pixabay
При недостатке воды, высоких температурах или интенсивном поливе уровень поваренной соли (хлорида натрия) в почве повышается. Однако большинство культур чувствительны к соли. Они реагируют на увеличение засоленности почвы значительным снижением роста. Это приводит к снижению урожайности.
После поглощения корнями из почвы и транспортировки через водный поток к побегам и листьям соль может оказывать токсическое воздействие на метаболизм растения. Как растение может избежать этой дилеммы, показали исследователи растений из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия, в своей последней публикации в журнале New Phytologist.
Профессор биофизики Райнер Хедрих и его команда разработали методику, которую можно использовать для простой и быстрой регистрации того, как растения выводят токсины из солей, содержащихся в их листьях.
Для изучения механизмов детоксикации солей в листьях доктор Доротея Граус, первый автор публикации, профессор Ирен Мартин и доктор Кай Конрад использовали растения табака в качестве модельной системы. Межклеточные пространства листьев табака можно легко и быстро заполнить тестовыми растворами с помощью шприца.
Для регистрации преодоления острого солевого стресса внутреннюю часть листьев табака заполняли 30%-ным раствором морской соли и записывали реакцию с помощью видеокамеры. Этот солевой стресс вызвал падение давления в клетках листа, что стало заметно при постепенном опускании листа.
«Мы были готовы к этому, — рассказывает Райнер Хедрих. — Однако тот факт, что лист полностью восстановился после того, как его залили солью, и вернулся в исходное положение всего через 30-40 минут, был более чем удивительным».
Введенная доза соли осталась в листе, но не в межклеточных пространствах.
Таким образом, соль, понизившая давление в листе, попала внутрь клетки и затем была направлена в самый большой клеточный отсек — вакуоль. На этом этапе вода, первоначально потерянная в результате осмоса, снова поступает в клетку, после чего давление в клетке снова возрастает, и лист растягивается.
Как соль попадает в клетку и как она попадает в вакуоль?
Кай Конрад и Ирен Мартин объясняют: «Ионы натрия попадают в клетку через ионные каналы и приводятся в движение отрицательным потенциалом клеточной мембраны. Хлорид-ионы поглощаются хлорид-протонными котранспортерами, которые приводятся в движение движущей силой протонов».
В результате поглощения солей хлорида натрия в плазматической мембране клетки происходит временное падение мембранного потенциала и чистое снижение концентрации протонов. Эти сигналы, вместе с ионной чувствительностью к натрию, инициируют транспорт соли из цитоплазмы в вакуоль. Исследования показали, что транспорт в мембране вакуоли сильно влияет на то, что происходит в цитоплазме и на клеточной мембране.
«Используя флуоресцентное определение концентрации протонов, мы смогли показать, что поглощение ионов натрия в вакуоли сопровождается изменением концентрации протонов в цитозоле и вакуоли. Это указывает на участие транспортера NHX1, расположенного в мембране вакуоли, который обменивает ионы натрия на протоны из вакуоли во время солевого стресса. Мы смогли подтвердить это предположение, используя линии растений, вакуоли которых показали повышенную активность натрий-ион-протонного антипортера NHX1», — отмечают ученые.
В корнях увеличение количества ионов кальция в цитоплазме вызывает отталкивающие силы ионов натрия, которые отторгают вторгшиеся соли из почвы. Этот механизм защиты от соли, известный как SOS-путь, также активен в корне табака. Однако исследовательская группа из Вюрцбурга была удивлена, обнаружив, что листья способны выводить токсины из введенной солевой нагрузки без какого-либо кальциевого сигнала.
Это означает, что догма SOS, основанная на ионах кальция, больше не работает для управления солевым стрессом в листьях.
«Корни большинства растений уже страдают, когда на них попадает четверть солевой нагрузки, которую мы наносим на табачный лист, — объясняет Кай Конрад. — Поэтому кажется, что листья лучше справляются с солевым стрессом и, таким образом, переносят соль, чем корни. Однако, когда засоленность почвы сохраняется, солевой резервуар в вакуолях культурных растений заполняется, и тогда солеустойчивость листьев также достигает своего предела».
Лучшее понимание механизмов солевой токсичности в листьях может помочь в разработке новых стратегий для получения солеустойчивых растений. Для этого исследовательская группа из Вюрцбурга намерена использовать управляемые светом ионные транспортные белки, так называемые оптогенетические инструменты, чтобы специфически изменять соотношение ионов натрия, хлорида, протонов и кальция.
Эксклюзивный перевод*
Фото: Kai Konrad / Uni Würzburg
О светлом будущем заботятся политики, о светлом прошлом – историки, о светлом настоящем – журналисты.
