Синтетический ионный канал заставляет растения расти быстрее

У растений защитные клетки контролируют устьичное отверстие, расширяясь и сжимаясь через поток ионов. Когда растение ощущает свет, в защитную ячейку посылается сигнал для увеличения содержания ионов, в результате чего клетка впитывает воду и увеличивается в размерах. В этом состоянии стома (отверстие) открыта, так что она может начать принимать углекислый газ для фотосинтеза.

Когда нет света для фотосинтеза, растение закрывает устьица, чтобы не потерять воду в результате испарения.

• Биологи подозревали, что скорость, с которой защитные клетки реагируют на изменение условий, влияет на производительность растений и эффективность использования воды.

ОТКРЫТИЕ И ЗАКРЫТИЕ: чтобы проверить, может ли скорость открытия и закрытия устьиц повысить производительность и эффективность использования воды, исследователи добавили синтетический световой активированный ионный канал BLINK1 для защиты клеток арабидопсиса (1). Канал BLINK1 позволял ионам калия проникать в клетку в течение двух минут после активации синим светом (2). Увеличение количества ионов внутри клетки заставило защитные клетки набирать воду и увеличиваться в размерах, открывая устьица, чтобы позволить проникновение углекислого газа (3). В течение 8-10 минут пребывания в темноте активность канала BLINK1 снижалась, и защитные клетки начали сокращаться, закрывая устьица и не давая воде покинуть клетку (4).

Чтобы проверить эту идею, команда исследователей позаимствовала инструмент из нейробиологии: оптогенетику, которая позволяет ученым использовать свет для контроля напряжения на мембране и, таким образом, экспериментально активировать нейроны.

Изменить напряжение клетки относительно легко, говорит соавтор исследования Майкл Блатт из Университета Глазго, «но гораздо сложнее переместить достаточное количество ионов, чтобы изменить общее содержание ионов в клетке».

Ученые использовали генную инженерию и специфичный для клетки промотор для добавления BLINK1, светоконтролируемого синтетического калиевого канала, для защиты клеток Arabidopsis thaliana, чтобы увидеть, могут ли они перемещать достаточно ионов, чтобы клетки впитали воду и увеличились в размерах.

Под воздействием синего света в течение двух минут канал BLINK1 открылся, что позволило ионам калия проникнуть в клетку. В результате ячейки "стражи" распухли, увеличивая устьицы.

Растения с каналами BLINK1 были способны открывать устьица быстрее, чем контрольные растения, по-видимому, позволяя им быстрее получать углекислый газ. Модифицированные растения также могли закрывать свои устьица быстрее, чем контрольные, когда находились в темноте, предотвращая ненужную потерю воды.

• Авторы сообщают, что, вероятно, из-за их повышенной эффективности растения с BLINK1 росли в 2,2 раза быстрее, чем контрольные растения, которые содержались в одинаковых условиях.

«Это довольно интересно и очень инновационно», - говорит исследователь по электрофизиологии растений Натали Леонхардт из Французского института биологических наук и биотехнологий в Экс-Марселе, которая не принимала участия в исследовании. По ее словам, установка исследования подвергает растения колебаниям и быстрым изменениям освещения, которые демонстрируют эффект канала.

• Но она добавляет, что эти условия «не очень реалистичны» и что уровни естественного освещения могут колебаться не так быстро. Таким образом, скорость BLINK1 может не дать большого преимущества в этой области.

Блатт отмечает, что это исследование является подтверждением концепции и первой демонстрацией того, что можно сконструировать сельскохозяйственные культуры для повышения эффективности водопользования без ущерба для роста путем контроля скорости открытия и закрытия устьиц.

Следующим шагом, по его словам, является поиск других способов изменения этой скорости без использования канала BLINK1, например, путем изучения генов, которые влияют на способность защитных клеток изменять размер.