Уникальный метод диагностики состояния растений разработали нижегородские ученые

Доцент кафедры биофизики ННГУ имени Н.И.Лобачевского Владимир Сухов рассказал «Деловой газете» о влиянии электрических сигналов на фотосинтез. По мнению учёного, это может стать дополнительным инструментом для управления устойчивостью и урожайностью сельскохозяйственных растений.  

- Растение, как и животные, подвержены различным, в том числе неблагоприятным, воздействиям внешней среды, стрессорам. Но, в отличие от представителей фауны, оно не может убежать, переместиться в пространстве. Растение вырабатывает свои методы адаптации, сигналы.  

Среди них, как нам удалось установить, важную роль играют электрические сигналы. Это быстрый сигнал, при повреждении он распространяется по растению за минуты. Для сравнения, время распространения гормонального сигнала составляет несколько часов. Долгое время роль электрических сигналов была неизвестна. В процессе изучения выяснилось, что электрические сигналы вызывают усиление экспрессии определенного вида генов. Также они влияют на синтез гормонов. 

Нам удалось показать, что распространение электрического сигнала вызывает изменение в процессе фотосинтеза. Когда сигнал как реакция на неблагоприятное воздействие распространяется, фотосинтез быстро выключается. Механизм реакции следующий. В норме количество протонов в цитоплазме клетке довольно низкое, 10 в минус 72 – 74. Снаружи клетки содержание протонов обычно выше. 10 в минус 5 – 6. Когда проходит электрический сигнал, протоны извне проникают в клетку.  

- Зачем растению нужно замедлять фотосинтез?  

- Во-первых, для повышения устойчивости. Чем процесс идет медленнее, тем растение меньше повреждается. Например, бактерии, когда им нужно пережить какие-то тяжелые моменты, превращаются в споры. Во-вторых, напомню, что фотосинтез имеет две стадии, световую и темновую. В первой стадии вырабатывается аденазинтрифосфат (АТФ), во второй это энергосодержащее соединение используется растением для фиксации углекислого газа. Нам удалось выяснить, что электрические сигналы отключают именно темновую стадию фотосинтеза. То есть, накопление энергии происходит, а расход ее на образование из углекислого газа сахаров – нет. Растение экономит энергию, чтобы при повреждении можно было использовать ее на образование белков, для собственного выживания. Фотосинтез не просто отключается, он меняет свою активность, затраты энергии прекращаются, энергия накапливается для выживания. Таким образом, повышается устойчивость растения. Исследования опытных образцов растений показали, что после сигнала они, хотя и медленнее, но растут, оставаясь живым. Те же, которые не использовали электрические сигналы, погибали.  

Интересен и такой момент Растения имеют две фотосистемы, фотосистему I и фотосистему II. Первая отвечает за образование АТФ, она более важна, без нее организм погибает, а фотосистема II, необходимая для образования сахаров, способна быстро восстанавливаться.  

Ученые ННГУ установили, что при повреждении после прохождения электрического сигнала фотосистема I повреждается меньше, чем фотосистема II. В опытах исследователи нагревали растение. После сигнала испарение с поверхности замедлялось, растение закрывало устья. При этом оно сильнее нагревалось, фотосистема II разрушалась, но растение выживало. Кроме того, при повреждении фотосистемы II фотосистема I в стрессовом состоянии начинает работать лучше. Значит, сохраняя фотосистему I, оно жертвовало второй.  

Дыхание в стрессовой ситуации активируется. А транспирация после прохождения электического сигнала при большой влажности уменьшается, а при высокой – увеличивается. То есть растение повышает свою устойчивость, выбирает оптимальную функцию.  

- В чем прикладной аспект ваших исследований, чем они могут помочь в сельском хозяйстве? 

- Наши работы ведутся при финансовой поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки РФ. Исследования выходят на два важных прикладных направления. На первом этапе, завершившемся в 2016 году, мы модифицировали электрический сигнал в растениях с использованием растительных гормонов. Цель этих опытов – научиться управлять электрическими сигналами растений. Адаптационный механизм, использующий электрические сигналы, конечно, ведет к повышению устойчивости организма, но – ценой замедления фотосинтеза, а значит, снижения урожайности. Людям это невыгодно. В то же время, если этого механизма не будет, растение погибнет, что тоже не есть хорошо. Мы должны научиться усиливать процесс, когда есть серьезная угроза жизни растений, и ослаблять, когда она минимальна.  

Полевые исследования, проведенные совместно с Нижегородской государственной сельхозакадемией, показали, что использование гормонов повышает урожай. Мы изучали горох и пшеницу как наиболее изученные, массовые культуры. Правда, использование дорогих искусственных гормонов при опрыскивании площадей, невыгодно. А вот обработка гормонами семян делает процесс экономически более выгодным.  

Другое направление работ связано с мониторингом состояния растений, по сути диагностикой стресса. Мы создаем специальную систему наблюдения, которая показывает, что растению плохо. Аппаратура, применяемая нами, позволяет увидеть ответ растения на стрессоры. И при достаточно хорошем разрешении, установленная на беспилотник, она может дать неплохой результат.  

- Приборы каких разработчиков вы используете? Импортное оборудование? 

- Нет, отечественное. Мы сотрудничаем с институтом прикладной физики Российской академии наук. Физики по нашим заказам создают очень хорошую уникальную аппаратуру, сложную систему оптики.