Jak se rostliny přizpůsobují nepříznivým podmínkám?

Experimentální uspořádání pro studium fotosyntetické odezvy rostlin. Na porostu pod ním jsou rostliny, které lze lokálně ovlivnit současně světlem a teplotou. Optický modul nahoře měří fluorescenci v reakci na krátké záblesky světla.

Ruští biologové identifikovali mechanismus, který pomáhá rostlinám „varovat“ jejich různé části před nebezpečím. Ukázalo se, že to dělají pomocí speciálních elektrických signálů, které snižují aktivitu fotosyntézy, což pravděpodobně připravuje tělo na přechod do režimu přežití během období sucha, jasného světla a tepla. To znamená, že takové elektrické signály by mohly být potenciálně použity ke konzervaci plodin v extrémních podmínkách. Výsledky práce podpořené grantem Ruské vědecké nadace (RSF) najdete na stránkách Frontiers in Plant Science.

Rostliny mohou přežít v extrémně extrémních podmínkách prostředí prostřednictvím procesu adaptace. Nepříznivé faktory prostředí (sucho, extrémní teplo atd.) spouští fyziologickou reakci, která pomáhá rostlině přizpůsobit se novým podmínkám. Aby však změny ovlivnily celý rostlinný organismus, je potřeba speciální informační síť – jakási obdoba nervového systému zvířat.

Rostlinné buňky tedy v reakci na vnější podnět generují elektrické signály. Pomáhají sdělit zbytku rostliny, dokonce i těm, které se nacházejí daleko od dráždidla, že se něco stalo, například že jeden list byl napaden škůdcem. Elektrické impulsy jsou výsledkem změn koncentrace iontů uvnitř a vně rostlinné buňky. Posun v rovnováze iontů vede k depolarizaci nebo hyperpolarizaci – akumulaci kladného nebo záporného náboje uvnitř buňky, resp. Tyto změny se dále šíří po rostlinných pletivech. Nepostižené tkáně se tak mohou „připravit“ a spustit ochranné mechanismy.

Dříve vědci předpokládali, že rostlina vysílá signály především depolarizací – depolarizačními elektrickými signály. Tento typ signalizace byl však pozorován výhradně v kritických situacích, například při popálení. V roce 2009 vědci zjistili, že rostliny mohou také přenášet signály prostřednictvím hyperpolarizace, například v reakci na mírné poškození listů. V současné době není význam a fyziologická role tohoto typu signalizace plně pochopena. Dříve skupina vědců ze Státní univerzity národního výzkumu Nižnij Novgorod pojmenovaná po N.I. Lobačevskij (Nižnij Novgorod) prokázal, že hyperpolarizující elektrické signály jsou reakcí rostlin na slabé podněty charakteristické pro přírodní podmínky, například mírné zahřívání (asi 40 °C). V této práci tito vědci přesně zkoumali, jak hyperpolarizující elektrické signály ovlivňují rostliny. Fotosyntéza byla vybrána jako hlavní indikátor stavu těla, protože je klíčovým procesem v životě rostlinných organismů.

Aktivitu fotosyntetických reakcí lze hodnotit na základě toho, jak efektivně rostlina využívá sluneční energii. Část je uložena v chemických vazbách organických sloučenin a přebytek je vyzařován v podobě oku neviditelné záře – fluorescence. Pokud je energie přijatá zvenčí příliš velká (například kvůli příliš jasnému světlu), může to spustit procesy, které jsou pro rostlinu destruktivní. K ochraně fotosyntetického aparátu se energie vynakládá jiným způsobem, a to rozptýlením ve formě tepla. V důsledku toho klesá fluorescence, a tak je možné posoudit, jak moc je rostlina namáhána.

Přečtěte si více

Která odrůda jablek je nejvíce kyselá?

V experimentu vědci zkombinovali mírné zahřívání (asi 40 °C) a ozařování modrým světlem, které lze pozorovat v reálných podmínkách během horka a sucha. Kromě toho existují důkazy, že modré světlo spouští vlnu elektrických impulzů v rostlinné tkáni. Fluorescence chlorofylu byla zaznamenána pomocí speciální kamery. Elektrické signály byly měřeny elektrodami, které byly v kontaktu s rostlinnou tkání v zóně ozařování a ohřevu. Vědci také analyzovali změny ve fyziologické reakci rostliny na podněty pod vlivem sucha (7 nebo 14 dní bez zálivky).

Výsledky práce ukázaly, že v různých kombinacích místní zvýšení teploty a vystavení světlu stimulovaly rostliny ke generování hyperpolarizujících elektrických signálů, a to i za mírného sucha (7 dní bez vody). Jejich závažnost přímo souvisela se snížením účinnosti fotosyntézy. Zajímavé je, že za podmínek velkého sucha (14 dní bez vody) byly zaznamenané signály méně intenzivní a nebyly pozorovány žádné změny fotosyntetických reakcí, což potvrzuje jejich zapojení do regulace fotosyntézy rostlin.

Vědci došli k závěru, že studované signály hrají důležitou roli v adaptaci na nepříznivé, ale obecně snesitelné podmínky prostředí. Potlačují fotosyntézu, což pomáhá rostlině místo růstu a vývoje přejít do režimu úspory energie. Navíc bylo možné ukázat: pokud je rostlina vystavena silným dráždivým látkám, dochází k přenosu nebezpečných signálů jiným způsobem.

„Výsledky naší studie ukázaly alternativní způsob, jak se rostliny adaptují na nepříznivé faktory prostředí. Do budoucna se plánuje vypracování komplexního matematického modelu šíření hyperpolarizačních signálů v rostlině. Plánujeme také analyzovat fyziologické mechanismy výskytu a šíření takových signálů, které nám v budoucnu umožní objevit potenciální cíle pro jejich regulaci. Výzkum v této oblasti pomůže vyvinout nové metody pro zachování produktivity zemědělských rostlin v nepříznivých podmínkách,“ shrnul vedoucí projektu podpořeného grantem Ruské vědecké nadace Ljubov Yudina, kandidát biologických věd, docent Katedra biofyziky Ústavu biologie a biomedicíny Státní univerzity v Nižním Novgorodu pojmenovaná po N. I. Lobačevském.