В Нижнем Новгороде жгли горох для определения его реакции на стресс

Сотрудники кафедры биофизики Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского определили, как электрические сигналы растений, вызванные их повреждениями, влияют на световую фазу фотосинтеза. Оказалось, что они снижают активность белка, обеспечивающего оптимальную кислотность для реакций световой фазы, из-за чего ее эффективность падает. Изучение механизмов, по которым это происходит, даст новые идеи, как повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Научная статья опубликована в журнале Photosynthesis Research. Исследование поддержано грантами РНФ и Министерства образования и науки РФ.

В качестве объекта для экспериментов выбрали горох посевной (Pisum sativum). Ученые вызывали стресс в его тканях, подвергая листья на верхушках стеблей воздействию открытого огня. Все растения были выращены методом гидропоники и перед опытами находились в темноте. Это в дальнейшем позволяло оценить интенсивность реакций световой фазы фотосинтеза именно после травмирующего воздействия. Пока горох стоял в темноте, подобные реакции не шли и начинались только после того, как его выносили на свет.

К верхнему листу каждого растения на две-три секунды подносили источник пламени. К расположенным ниже листьям на специальный проводящий гель крепили электроды. Они регистрировали изменения электрического потенциала поверхности листьев. Другие датчики определяли флуоресценцию хлорофиллов — показатель того, насколько интенсивно молекулы этих пигментов захватывают кванты света. В отдельных экспериментах, проведенных в темноте, ученые также установили, как листья гороха, расположенные ниже опаленных огнем, поглощают углекислый газ, необходимый для реакций второй, темновой, фазы фотосинтеза. Из предыдущих опытов было известно, что повреждение растений снижает интенсивность поглощения CO2, а значит, и производства из него органических веществ.

Опыты показали, что воздействие пламенем на верхний лист гороха вызывает изменение электрического потенциала на поверхности листьев. Оно распространяется по побегу сверху вниз. По мере прохождения через растение волны изменения этого потенциала воздействовали на молекулы хлорофилла. В результате они начинали поглощать больше света. Однако при этом количество энергии, рассеивающейся и не идущей на поддержание световой фазы фотосинтеза, тоже росло. Таким образом, общая интенсивность фотосинтеза не увеличивалась. После повреждения гороха поглощение CO2 его листьями в темноте падало, как и в проведенных другими учеными экспериментах.

Авторы работы предполагают, что механизм этих сдвигов в физиологии поврежденных растений таков. Электрический потенциал в любом живом организме обеспечивается присутствием в клетках заряженных частиц — ионов. Он равен нулю, если сумма зарядов положительных ионов (катионов) равна сумме зарядов отрицательных (анионов). Если анионов больше, то и электрический потенциал на поверхности объекта (целого листа или отдельной клетки) имеет знак «минус». То же, но с обратным знаком, верно и для катионов. Соответственно, при изменении электрического потенциала на поверхности листьев меняется и баланс анионов и катионов в них.

Один из распространенных катионов — ион водорода H+. Он влияет сразу на два важных параметра — кислотность среды в клетке и работу протонного насоса, то есть белка, который выбрасывает H+ из хлоропластов наружу, затрачивая при этом энергию. Вызванное поджогом верхнего листа изменение электрического потенциала во всем растении, по мысли ученых, приводит к тому, что протонный насос перестает работать. Из-за этого в хлоропласте накапливается слишком много катионов водорода, что, в свою очередь, повышает в нем кислотность.

Большинство биологически активных молекул вступают в реакции только при определенном узком диапазоне значений кислотности среды. Хлорофиллы и ферменты для превращения углекислого газа в органические вещества не исключение. Их работа при закислении хлоропластов, вызванном изменением электрического потенциала клетки, нарушается. Хотя хлорофиллы нижних листьев поглощали больше света после опаливания верхнего, это не повышало эффективность использования световой энергии. Электроны, полученные благодаря такому поглощению, как отрицательно заряженные частицы уравновешивались «лишними» H+.

Говоря коротко, биофизики из Нижнего Новгорода предложили механизм, по которому острый стресс для растения снижает эффективность фотосинтеза даже в тех его частях, которые сами не были повреждены. Такая защитная реакция позволяет организму тратить меньше энергии на довольно затратный процесс образования органических веществ на основе углекислого газа, а следовательно, дольше выживать в неблагоприятных условиях. С другой стороны, с помощью новых данных можно попытаться установить, какие воздействия способны поднять эффективность фотосинтеза, а значит, и урожайность. Это, несомненно, будет полезно для сельского хозяйства. 

Источник http://rscf.ru