Mikroskopijne pory na powierzchni liści, zwane aparatami szparkowymi, pomagają roślinom „oddychać”, kontrolując ilość wody, którą tracą w wyniku parowania. Te pory szparkowe umożliwiają również i kontrolują spożycie dwutlenku węgla w celu fotosyntezy i wzrostu.
Już w XIX wieku naukowcy wiedzieli, że rośliny zwiększają otwarcie porów aparatów szparkowych, aby umożliwić transpirację, czyli „pocenie się”, wysyłając parę wodną przez aparaty szparkowe w celu ochłodzenia. Obecnie, gdy globalne temperatury i fale upałów rosną, poszerzanie porów szparkowych uważa się za kluczowy mechanizm, który może zminimalizować uszkodzenia roślin spowodowane ciepłem.
Jednak od ponad stulecia biologom roślin brakowało pełnego wyjaśnienia mechanizmów genetycznych i molekularnych stojących za wzmożonymi procesami „oddychania” i transpiracji aparatów szparkowych w odpowiedzi na podwyższone temperatury.
Doktorantka Szkoły Nauk Biologicznych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Nattiwong Pankasem i profesor Julian Schroeder stworzyli szczegółowy obraz tych mechanizmów. Ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie New Phytologist, wskazują dwie ścieżki, którymi rośliny wykorzystują rosnące temperatury.
„Wraz ze wzrostem globalnych temperatur istnieje oczywiste zagrożenie dla rolnictwa w postaci fal upałów” – stwierdził Schroeder. „Badanie to opisuje odkrycie, że rosnąca temperatura powoduje otwarcie aparatów szparkowych za pomocą jednego szlaku genetycznego (mechanizmu), ale jeśli ciepło wzrośnie jeszcze bardziej, wówczas uruchamia się inny mechanizm, który zwiększa otwarcie aparatów szparkowych”.
Przez dziesięciolecia naukowcy starali się znaleźć jasną metodę rozszyfrowania mechanizmów leżących u podstaw otworów szparkowych wywołanych rosnącą temperaturą, ze względu na wymagane skomplikowane procesy pomiarowe. Trudność wynika ze złożonej mechaniki związanej z ustawianiem wilgotności powietrza (znanej również jako różnica ciśnień pary, VPD) na stałe wartości podczas wzrostu temperatury oraz trudności w rozróżnieniu reakcji temperatury i wilgotności.
Pankasem pomógł rozwiązać ten problem, opracowując nowatorskie podejście do ustalania VPD liści do ustalonych wartości w rosnących temperaturach. Następnie zbadał mechanizmy genetyczne szeregu reakcji aparatów szparkowych na temperaturę, w tym czynniki takie jak czujniki światła niebieskiego, hormony suszy, czujniki dwutlenku węgla i białka wrażliwe na temperaturę.
Ważnym dla tych badań był analizator wymiany gazowej nowej generacji, który umożliwia lepszą kontrolę VPD (ustawianie VPD na stałe wartości). Naukowcy mogą teraz przeprowadzać eksperymenty wyjaśniające wpływ temperatury na otwarcie aparatów szparkowych bez konieczności usuwania liści z całych żywych roślin.
Wyniki ujawniły, że reakcja na ocieplenie aparatów szparkowych jest podyktowana mechanizmem występującym we wszystkich liniach roślin. W tym badaniu Pankasem zbadał mechanizmy genetyczne dwóch gatunków roślin, dobrze zbadanego gatunku chwastu Arabidopsis thaliana i Brachypodium distachyon, rośliny kwitnącej spokrewnionej z głównymi uprawami zbóż, takimi jak pszenica, kukurydza i ryż, co stanowi odpowiedni model dla te uprawy.
Naukowcy odkryli, że czujniki dwutlenku węgla odgrywają główną rolę w reakcjach na ogrzewanie i ochłodzenie aparatów szparkowych. Czujniki dwutlenku węgla wykrywają, kiedy liście ulegają szybkiemu nagrzaniu. Rozpoczyna to wzrost fotosyntezy w ocieplających się liściach, co skutkuje redukcją dwutlenku węgla. To następnie inicjuje otwarcie porów szparkowych, umożliwiając roślinom czerpanie korzyści ze zwiększonego spożycia dwutlenku węgla.
Co ciekawe, w badaniu odkryto również drugą ścieżkę reakcji na ciepło. W ekstremalnych temperaturach fotosynteza w roślinach jest osłabiona i zanika. Stwierdzono, że reakcja cieplna aparatów szparkowych omija system czujników dwutlenku węgla i odłącza się od normalnych reakcji napędzanych fotosyntezą. Zamiast tego aparaty szparkowe wykorzystują drugą ścieżkę reakcji na ciepło, podobnie jak w przypadku wchodzenia przez tylne drzwi do domu, aby „pocić się” jako mechanizm chłodzący.
„Wpływ drugiego mechanizmu, w którym rośliny otwierają aparaty szparkowe bez czerpania korzyści z fotosyntezy, skutkowałby zmniejszeniem efektywności wykorzystania wody przez rośliny uprawne” – stwierdził Pankasem. „Na podstawie naszego badania wynika, że rośliny prawdopodobnie będą potrzebować więcej wody na jednostkę pobranego CO2. Może to mieć bezpośrednie implikacje dla planowania nawadniania produkcji roślinnej oraz wielkoskalowe skutki wzmożonej transpiracji roślin w ekosystemach na cykl hydrologiczny w odpowiedzi na globalne ocieplenie.”
„Ta praca pokazuje, jak ważne są badania podstawowe oparte na ciekawości, które pomagają stawić czoła wyzwaniom społecznym, budować odporność w kluczowych obszarach, takich jak rolnictwo, i potencjalnie wspierać biogospodarkę” – powiedział Richard Cyr, dyrektor programowy w amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki Dyrekcja Nauk Biologicznych, która częściowo sfinansowała badania. „Dalsze zrozumienie złożoności molekularnej kontrolującej funkcjonowanie aparatów szparkowych w wyższych temperaturach może prowadzić do opracowania strategii ograniczających ilość wody potrzebnej do celów rolniczych w obliczu globalnego wzrostu temperatury”.
Dysponując nowymi szczegółami, Pankasem i Schroeder pracują obecnie nad zrozumieniem molekularnych i genetycznych mechanizmów stojących za wtórnym systemem reakcji na ciepło.
Współautorami badania są: Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks i Julian Schroeder. Badania zostały sfinansowane przez program Human Frontier Science Program (RGP0016/2020) i National Science Foundation (MCB 2401310).