Ботаникам с 19 века известно, что листья имеют поры, называемые устьицами, и содержат сложную внутреннюю сеть воздушных каналов. Но до сих пор было непонятно, как эти каналы формируются в нужных местах, чтобы обеспечить постоянный поток CO2 к каждой растительной клетке.
В новом исследовании, проведенном учеными из Института устойчивого питания Университета Шеффилда и опубликованном в Nature Communications, использовались методы генетической манипуляции, чтобы показать, что чем больше устьиц у листа, тем больше воздушного пространства он образует.
Каналы действуют как бронхиолы – крошечные проходы, по которым воздух переносится к обменным поверхностям легких человека и животных.
В сотрудничестве с коллегами из Университета Ноттингема и Ланкастерского университета они показали, что движение CO2 через поры, скорее всего, определяет форму и масштаб сети воздушных каналов.
Это открытие знаменует собой важный шаг вперед в нашем понимании внутренней структуры листа и того, как функция тканей может влиять на их развитие, что может иметь разветвления за пределами биологии растений, в таких областях, как эволюционная биология.
Исследование также показывает, что растения пшеницы выращивались поколениями людей, чтобы на их листьях было меньше пор и воздушных каналов, что делает их листья более плотными и позволяет выращивать их с меньшим количеством воды.
Это новое открытие подчеркивает потенциал ученых для того, чтобы сделать такие основные культуры, как пшеница, еще более водосберегающими, изменив внутреннюю структуру их листьев. Этот подход был впервые предложен другими учеными из Института устойчивого питания, которые разработали готовые к климатическим условиям рис и пшеницу, которые могут выжить в условиях экстремальной засухи.
Профессор Эндрю Флеминг из Института устойчивого питания при Университете Шеффилда сказал: «До сих пор то, как растения формируют свои сложные воздушные каналы, оставалось удивительно загадочным для ученых-растениеводов.
"Это важное открытие показывает, что движение воздуха через листья формирует их внутреннюю работу, что влияет на то, как мы думаем об эволюции растений.
«Тот факт, что люди уже непреднамеренно повлияли на то, как дышат растения, путем селекции пшеницы, которая потребляет меньше воды, предполагает, что мы могли бы нацелить эти сети воздушных каналов для выращивания сельскохозяйственных культур, которые могли бы пережить более экстремальные засухи, которые мы ожидаем увидеть с нарушением климата."
Доктор Марджори Лундгрен, научный сотрудник Leverhulme Early Career в Ланкастерском университете, сказала: «Ученые долгое время подозревали, что развитие устьиц и образование воздушных пространств внутри листа координируются. Однако мы не были уверены, что привело к другому.
Итак, все началось с того, что было первым, курица или яйцо?’ вопрос.
«Используя продуманный набор экспериментов, включающих анализ изображений рентгеновской компьютерной томографии, наша совместная группа ответила на эти вопросы, используя виды с очень разной структурой листьев.
Хотя мы показываем, что развитие устьиц инициирует расширение воздушных пространств, мы сделали еще один шаг, чтобы показать, что устьицам действительно необходимо обмениваться газами, чтобы воздушные пространства расширялись. Это рисует гораздо более интересную историю, связанную с физиологией."
Работа по рентгеновской визуализации проводилась в лаборатории Хаунсфилда в Ноттингемском университете. Директор учреждения, профессор Саша Муни, сказал: «До недавнего времени применение рентгеновской компьютерной томографии или компьютерной томографии в науках о растениях в основном было сосредоточено на визуализации скрытой половины растения – корней – по мере того, как они расти в почве.
«Работая с нашими партнерами в Шеффилде, мы разработали методику визуализации клеточной структуры листа растения в 3D, что позволяет нам увидеть, как сложная сеть воздушных пространств внутри листа контролирует его поведение.
Это очень волнительно."
Институт устойчивого питания при Университете Шеффилда объединяет многопрофильный опыт и исследовательские центры мирового класса, чтобы помочь в достижении продовольственной безопасности и защите природных ресурсов, от которых мы все зависим.