Хотя растения и выделены в отдельное царство, их организм, как и наш, нуждается в газообмене и терморегуляции. В отличие от специализированных и разделенных систем большинства многоклеточных животных у растений эти функции выполняет единственная структура, называемая устьицем.
(лат. stoma, от греческого рот, уста)— в ботанике это пора, находящаяся на нижнем или верхнем слое эпидермиса листа растения, через которое происходит испарение воды и газообмен с окружающей средой. Пора состоит из пары специализированных клеток, называемых замыкающими, которые регулируют степень открытости поры.
Под замыкающими клетками устьиц расположена подустьичная полость, через которую непосредственно и происходит газообмен. Воздух, содержащий диоксид углерода (углекислый газ) и кислород, проникает внутрь ткани листа через эти поры, и далее используется в процессе фотосинтеза и дыхании. Избыточный кислород, произведённый в процессе фотосинтеза внутренними клетками листа, выходит обратно в окружающую среду через эти же поры.
Также, в процессе испарения через поры выделяются пары воды. Наличие или отсутствие устьиц (видимые части устьиц называют устьичными линиями) часто используют при классификации растений.
Двудольные растения, как правило, в нижней части листа имеют больше устьиц, чем в верхней. Это объясняется тем, что верхняя часть горизонтально-расположенного листа, как правило, лучше освещена, и меньшее количество устьиц в ней препятствует избыточному испарению воды. У однодольных растений наличие устьиц в верхней и нижней части листа различно. Очень часто листья однодольных растений расположены вертикально, и в этом случае количество устьиц на обоих частях листа может быть одинаково.
У плавающих листьев на нижней части листа устьица отсутствуют, так как они могут впитывать воду через кутикулу. У подводных листев устьица отсутствуют совсем. Устьица хвойных растений обычно спрятаны глубоко под эндодермой, что позволяет сильно снизить расход воды зимой на испарение, а летом — во время засухи. У папоротников и мхов устьица отсутствуют.
Известно, что в ходе фотосинтеза, благодаря которому существует почти вся известная жизнь на нашей планете, в растениях происходит превращение углекислого газа и воды в органические молекулы моносахаридов и кислорода. Таким образом, в органических веществах в ходе этой реакции запасается энергия Солнца, которая и стоит в начале всей пищевой цепи.
Углекислый газ для участия в фотосинтезе попадает внутрь листьев и лепестков только через устьица, поскольку толстая кутикула, покрывающая листья и клеточные стенки, препятствуют его непосредственному прохождению через мембраны, как это, например, происходит в наших легких.
«Желание» растений использовать в фотосинтезе весь доступный углекислый газ приводит к тому, что подъем его концентрации в атмосфере незамедлительно вызывает расширение устьиц. Однако совместно с ускорением газообмена более интенсивно происходит и испарение воды, каждая капля которой с трудом достается даже тем, кто растёт на болотах, не говоря уже о суккулентах — обитателях пустынь.
Изучение механизмов работы этой клеточной структуры и явилось целью работы двух научных групп.
В то время как японские специалисты нашли семейство генов, отвечающих за работу этих клеток, другая международная команда исследователей независимо создала «цветок», не реагирующий на колебания углекислого газа в окружающей среде.
Практически все «движения» растений обеспечиваются изменением содержания воды, а соответственно, и объема тех или иных клеток. По такому же принципу работают и замыкающие клетки устьиц, но в отличие от животных систем они самодостаточны – то есть функции восприятия и ответного действия объединены в одну клетку. Воспринимают же эти клетки практически все важные события в жизни растения — колебания концентрации CO2, абсцизовой кислоты, озона, переход от темного к светлому, изменения влажности, появлению ионов кальция, пероксида водорода и оксида азота.
Изменения, связанные с этими факторами, приводят к отмыканию анионных каналов, пропускающих в клетку хлор и малат; вместе с анионами в клетке накапливается и вода, вызывающая в итоге «разбухание» и открытие устьица. Или наоборот – при повышенной концентрации CO2 в окружающей среде растение пытается максимально его использовать, «выгоняя» из клеток ионы, а заодно и воду, – в результате устьице закрывается.
Белок SLAC1, ставший объектом исследования, равно как и структура самих каналов, были неплохо изучены прежде, но их связь, а главное, влияние на жизнедеятельность всего растения ученые показали только сейчас.
Ученые из Университета Вашингтона объявили о завершении проекта по расшифровке генома кукурузы. Руководитель широкомасштабного исследования, Ричард Вильсон, сегодня доложит результаты работы на 50-й ежегодной конференции генетических исследований кукурузы в Вашингтоне.
Начавшийся в 2005 году проект обошелся Национальному фонду науки в $29,5 миллионов и объединил университеты Аризоны, Вашингтона, Айовы и лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке. Оставшийся год финансирования ученые планируют потратить на «очистку» и дополнительный анализ генома.
В качестве объекта использовался сорт B37, обладающий повышенными питательными качествами, что позволило ему стать одним из самых популярных не только в сельском хозяйств, но и в науке.
До кукурузы такой же участи подвергся Arabidopsis thaliana, ставший основной генетической моделью в растительном мире, и рис, сравнение с которым и должно стать одним из главных направлений будущих исследований. Правда геном кукурузы представлен 2 миллиардами пар оснований в отличие от 430 миллионов, принадлежащих рису. Геном человека состоит из 2,9 миллиардов пар.
Несмотря на важность и сложность проделанной работы она дает ученым лишь контурную карту, на которой ещё необходимо «прорисовывать» конкретные гены, отвечающие за те или иные функции. По примерным оценкам их у кукурузы от 50 до 60 тысяч, что в два раза больше, чем у человека.
Японские ботаники начали свою работу с поиска гена, кодирующего SLAC1, и локализации последнего в растении. Выяснилось, что все семейство этих генов участвует в формировании анионных каналов, а локализованы каналы преимущественно в области устьиц.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 3,
"pic_fsize": "18874",
"picsrc": "Локализация белка SLAC1 в устьице при соединении его гена с геном зеленого флюоресцирующего белка и при гистохимическом окрашивании.//nature.com",
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2651893_i_3"
}
Дальнейшие действия экспериментаторов ничем не отличалась от многочисленных опытов с мышами – ученые создали так называемых нокаутных особей, у которых этот ген был дефективен. Эти «генетически модифицированные растения» не реагировали на подъем концентрации углекислого газа в воздухе открытием устьиц, а за счет этого существенно экономили драгоценную влагу.
Стоит признать, природа уже давно сама нашла альтернативу статическим устицам – устьица суккулентов обычно залеплены воском, а потому испарение воды через них практически не происходит. За это, впрочем, приходится платить недостатком углекислого газа, а следовательно, и относительно медленным ростом.
По мнению ученых, это открытие в перспективе может оказаться полезным при создании видов сельскохозяйственных культур, устойчивых к засухе, что особенно актуально в связи с прогнозами экологов и метеорологов на ближайшее будущее. Однако генным инженерам, по всей видимости, придется искать альтернативный механизм доставки CO2к клеткам.
