Ключом к механизму регуляции являются крошечные отверстия или поры на поверхности листьев, называемые устьицами. Это позволяет растению регулировать поглощение газа CO2 в качестве топлива для фотосинтеза и потерю водяного пара – постоянное уравновешивающее действие, которое требует, чтобы поры открывались и закрывались в соответствии с изменяющимися условиями.
Эта способность важна для сельского хозяйства, потому что она помогает культурам использовать меньше воды для роста.
У растений впервые появились устьица вскоре после того, как они переместились из воды на сушу, примерно 450 миллионов лет назад, но ученые все еще не уверены в эволюционном пути, по которому они пошли, и в точке, в которой растения получили возможность выбирать, открывать или закрывать поры в ответ на их окружение.
У наиболее недавно появившихся растений – цветковых – закрытие устьиц в ответ на засуху активно запускается рядом внутренних сигналов, включая гормон, называемый абсцизовой кислотой (АБК), но ученые изо всех сил пытаются понять, является ли этот механизм также присутствует в старших группах растений.
В новом исследовании, опубликованном в Current Biology, исследователи из Университета Бирмингема обнаружили доказательства того, что вид папоротников Ceratopteris richardii активно закрывает свои устьицы, используя аналогичные сигналы.
Этот полуводный тропический папоротник недавно стал первой моделью для изучения генетического контроля развития в семействе папоротников и теперь помогает ученым раскрыть долгую историю эволюции между самыми ранними наземными растениями (мхи, печеночники и роголистники) и современные цветущие растения, доминирующие в сегодняшних экосистемах.
Команда использовала технологию секвенирования РНК, чтобы идентифицировать генетические механизмы, лежащие в основе различных реакций устьиц, и смогла продемонстрировать способность папоротника закрывать устьица в ответ на низкую влажность или в ответ на АБК, включая копии генов, уже известных для контроля устьиц у цветущих растений.
Результаты показывают, что и папоротники, и цветковые растения эволюционировали с использованием аналогичных методов закрытия устьиц. Это указывает на то, что эти механизмы присутствовали – по крайней мере в той или иной форме – в устьицах последнего общего предка обеих групп.
Д-р Эндрю Плэкетт из Школы биологических наук Бирмингемского университета и Бирмингемского института лесных исследований руководил исследованием в сотрудничестве с группами Бристольского и Оксфордского университетов.
Он сказал: «Мы знаем, что растения обладали устьицами на протяжении большей части своей эволюционной истории, но момент в эволюции, когда растения стали способны активно открывать и закрывать их, был спорным.
«Мы смогли показать, что те же активные механизмы закрытия, которые присутствуют в цветковых растениях, также присутствуют в папоротниках, гораздо более старой группе растений. Возможность лучше понять, как эти механизмы изменились в процессе эволюции растений, дает нам полезные инструменты, позволяющие узнать больше о том, как они работают.
Это будет важно для того, чтобы помочь нашим культурам адаптироваться к будущим изменениям окружающей среды."
Алистер Хетерингтон из Бристольского университета сказал: «Эта новая работа подтверждает, что самые ранние растения были способны активно контролировать воду, которую они теряли через микроскопический клапан, как структуры на поверхности листьев, известные как устьица.
Это важно, потому что показывает, что внутриклеточный механизм, позволяющий устьицам открываться и закрываться, присутствовал у самых ранних наземных растений. Исследование также показывает, что реакция устьиц активно или пассивно определяется средой, в которой жили растения."