Учёные раскрыли молекулярных посредников, управляющих «дыханием» и «питанием» растений

Исследование проводилось на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana, на фото) и конских бобах (Vicia faba). Автор: Sarah Assmann / Penn State

Растения обладают сложной внутренней системой коммуникации для оптимизации производства энергии. Новое исследование международной группы учёных под руководством специалистов из Университета Пенсильвании впервые раскрыло молекулярных посредников, которые контролируют, как и когда растения «дышат» и «питаются». Это открытие может иметь важные последствия для сельского хозяйства.

«Это открытие значительно углубляет наше понимание того, как растения согласовывают свой внутренний метаболизм — химические реакции, которые они используют для производства энергии, — с внешней средой. Это фундаментальный процесс для роста и выживания растений», — сказала Сара Ассманн, профессор биологии растений в Пенсильванском университете и автор-корреспондент исследования, опубликованного 25 августа в журнале Nature Plants.

Десятилетиями учёные пытались понять, как внутренние клетки листа взаимодействуют с замыкающими клетками — специализированными клетками в самом внешнем слое. Пары замыкающих клеток окружают устьица (микроскопические поры в наружном слое листа) и контролируют их ширину, влияя на такие жизненно важные процессы, как производство энергии и потеря воды.

Устьица действуют как микроскопические «рты» на листьях: они открываются и закрываются, регулируя поглощение углекислого газа (CO₂), необходимого для создания углеводов, которые дают растению энергию. Они также контролируют выделение водяного пара обратно в атмосферу. Хотя было известно, что замыкающие клетки открывают устьица в ответ на свет (что запускает фотосинтез), и давно существовали свидетельства о химическом «посреднике» из внутренней части листа, направляющем этот процесс, его идентичность оставалась загадкой.

«Для наземных растений всегда существует компромисс между максимизацией поглощения CO₂, необходимого для фотосинтеза, и потерей водяного пара, который может высушить растение и в конечном итоге убить его, если воды потеряно слишком много», — пояснила Ассманн.

Исследование, проведённое на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) и конских бобах (Vicia faba), показало, что сахара (включая сахарозу, фруктозу и глюкозу) вместе с малеиновой кислотой (химическим веществом, участвующим в производстве энергии) действуют как эти ключевые посредники.

Учёные идентифицировали и охарактеризовали молекулярную петлю обратной связи между фотосинтетической активностью и регуляцией устьиц в ходе длинной серии тщательных экспериментов. Они извлекли апопластную жидкость (жидкость между клетками растений) из листьев, подвергшихся воздействию красного света (стимулирующего фотосинтез) или темноты. Проанализировав её химический состав, исследователи идентифицировали 448 уникальных химических соединений — гораздо больше, чем было известно ранее, — которые необходимы для основных функций растений, таких как рост и развитие.

Эксперименты подтвердили, что сахара непосредственно способствуют открытию устьиц в изолированном эпидермисе под красным светом, а также сигнализируют устьицам о более широком открытии на целых листьях, увеличивая поглощение CO₂ и потерю воды. Работа впервые даёт полную картину этого внутреннего процесса коммуникации у растений, который может определять их выживание в различных климатических условиях.

Исследователи надеются, что понимание этих механизмов поможет в будущем повысить устойчивость растений к засухе и жаре, а также улучшить урожайность сельскохозяйственных культур.

Больше информации: Yotam Zait et al, Apoplastic metabolomics reveals sugars as mesophyll messengers regulating guard cell ion transport under red light, Nature Plants (2025). DOI: 10.1038/s41477-025-02078-7

Источник: Pennsylvania State University