Как дышит растение: впервые сняли и измерили газообмен листьев

Лист кукурузы под микроскопом — десятки крошечных пор, которые распахиваются и сужаются, и в тот же миг приборы измеряют, сколько углекислого газа поступает и сколько воды уходит. Впервые исследователи Университета Иллинойс в Урбане-Чэмпэйн сумели наблюдать в реальном времени поведение устьиц, напрямую связывая его с газообменом листа.

Система называется Stomata In-Sight и описана в исследовании, опубликованном в Plant Physiology. По сути она позволяет видеть эти крошечные «рты» растений, пока они делают то, что растения делают постоянно: искать баланс между CO2, необходимым для фотосинтеза, и водой, которую рискуют потерять каждый раз, когда открывают «дверь».

Устьица — это микроскопические поры на поверхности листьев. Когда они открываются, двуокись углерода может проникать в ткани растения; одновременно же выделяется водяной пар. Растение должно постоянно регулировать эти отверстия в зависимости от света, температуры, влажности и концентрации CO2. Это микроскопическое «переговоры», которые тянутся практически весь день.

Видеть устьица, пока лист обменивается газами

До сих пор у ученых были очень эффективные приборы для наблюдения за устьицами и столь же точные — для измерения фотосинтеза и потери воды. Объединить обе вещи, одновременно и на одном живом листе, оказалось значительно сложнее.

Stomata In-Sight объединяет очень мощный микроскоп, приборы, измеряющие газообмен, и систему искусственного интеллекта. Лист остается живым, пока исследователи контролируют свет, температуру, влажность и CO2 и наблюдают, как открываются и закрываются устьица.

Во время презентации исследования профессор Эндрю Лики (Andrew Leakey), профессор растительной биологии Университета Иллинойс и один из авторов работы, заявил:

«Традиционно приходилось выбирать: видеть устьица или измерять их функцию»

Группа испытала систему на кукурузе (Zea mays), подвергая листья различным условиям света и концентрациям CO2. Так им и удалось наблюдать, как физически меняется открытие устьиц по мере изменения фотосинтеза и транспирации.

Машинное обучение отслеживает десятки крошечных отверстий

Наблюдать за устьицами одно; измерять их по одному на протяжении часов — совсем другое. Поэтому исследователи обучили систему машинного обучения автоматически распознавать поры и клетки устьиц на изображениях и рассчитывать их размеры. Автоматические измерения площади поров показывали сильную корреляцию с теми, которые проводились вручную учеными.

Группа также обнаружила, что в заданных условиях наблюдение около 40 устьиц уже позволяло получить хорошую оценку среднего поведения анализируемого участка листа.

Далее следует следующий шаг. Используя размер, плотность и глубину наблюдаемых устьиц под микроскопом, исследователи сумели оценить стоматическую кондуктивность, то есть легкость, с которой газ и водяной пар проходят через поверхность листа, получив значения, близкие к тем, которые измеряли приборы. Поведение горсти микроскопических пор начинает тем самым рассказывать о том, что делает весь лист.

Почему это может помочь против засухи

Каждое открытие устьиц влечет обмен: внутрь поступает CO2, чтобы фотосинтезировать, и выходит вода. Лучше понимать, как различные растения управляют этим балансом, может помочь исследователям определить характеристики, которые позволят культурам использовать воду более эффективно, что становится все более важной задачей в сельском хозяйстве, когда засуха и волны жара делают водоснабжение менее надёжным.

Сами авторы отмечают, что в качестве будущих применений возможно изучение генетических характеристик, которые регулируют форму и поведение устьиц, чтобы понять, какие комбинации позволят культурам сохранять хороший фотосинтез, теряя при этом меньше воды.

Отсюда до кукурузы, растущей счастливо без полива — путь длинный, конечно. Stomata In-Sight — инструмент для исследований, опробованный пока в контролируемых условиях, и его предстоит применить к другим сортам, видам и условиям окружающей среды. Но он позволяет смотреть намного ближе на один из механизмов, который определяет, сколько воды растение расходует на рост.

Небольшое окно в связь между растениями и климатом

Поведение устьиц также входит в модели, пытающиеся описать, как растительность реагирует на более высокие температуры, засуху и рост концентрации CO2 в атмосфере. До сих пор многие из этих процессов представлены через усреднения и параметры, получаемые из обмена всего листа. Возможность напрямую наблюдать, как реагируют отдельные поры, дает исследователям намного более подробную информацию, чтобы проверять её в физиологических и климатических моделях.

Университет Иллинойса уже подал патент на технологию. Следующий шаг — использовать её для сравнения растений с различной анатомией и стратегиями и понять, какие из них добиваются лучшего компромисса между углеродом и водой. Потому что лист, взглянув на него вдалеке, кажется неподвижным. А под микроскопом он продолжает открывать и закрывать крошечные двери, постоянно считая, что входит и что рискует потерять.