Обмен водой и воздухом у растений перестал быть загадкой — процесс увидели напрямую

Климатическая камера сохраняет естественную среду листа — профессор Лики

Впервые учёные получили возможность в реальном времени наблюдать, как растения регулируют обмен воздухом и водой — буквально по каждой поре листа. Ранее такие процессы приходилось изучать косвенно, усредняя данные. Теперь поведение устьиц можно видеть напрямую, по мере изменения условий среды. Об этом сообщает Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн.

Как работают листовые устьица

Устьица — это микроскопические поры на поверхности листьев, через которые растение поглощает углекислый газ и теряет водяной пар. Они открываются и закрываются в ответ на изменения освещения, температуры, влажности и концентрации CO₂. Этот механизм напрямую влияет на фотосинтез, рост растений и их устойчивость к засухе, а также на то, как формируется потеря влаги листьями.

Исследование возглавил профессор Университета Иллинойса Эндрю Д. Б. Лики. Его команда давно изучает, как сельскохозяйственные культуры реагируют на жару, дефицит воды и рост уровня углекислого газа, связывая микроскопические процессы в листьях с урожайностью в поле.

Почему традиционная микроскопия не справлялась

Классические методы микроскопии позволяют получить детальные изображения, но требуют изоляции листа от естественной среды. При этом устьица чрезвычайно чувствительны к колебаниям воздуха, света и влажности.

"Традиционно нам приходилось выбирать между просмотром устьица или измерением его функции", — отмечают исследователи.

Из-за этого учёные либо видели структуру пор, либо измеряли газообмен, но не могли связать эти данные между собой в реальном времени.

Три технологии в одной системе

Разработанная в UIUC установка Stomata In-Sight объединила лазерный микроскоп, газовые датчики и герметичную климатическую камеру. Внутри камеры можно точно контролировать свет, температуру, влажность и уровень углекислого газа, не нарушая естественного состояния листа.

Камеры и сенсоры работают синхронно, что позволяет напрямую сопоставлять движение каждой поры с объёмом газа, который через неё проходит.

Визуализация живых листьев

Основой системы стала конфокальная микроскопия — метод лазерного сканирования, создающий чёткие оптические срезы. Он позволяет измерять размеры устьиц в живых листьях без повреждения тканей.

Лазеры возбуждают естественные сигналы листа, а программное обеспечение формирует трёхмерное изображение. Это даёт возможность видеть, как меняется форма пор при колебаниях условий, сохраняя их в рабочем состоянии.

Как измеряют углерод и воду

Газовые датчики фиксируют, сколько углекислого газа входит в лист и сколько водяного пара выходит наружу. Небольшой участок листа герметизируется, после чего сравнивается состав воздуха внутри и снаружи камеры.

Ранее такие измерения давали усреднённые значения для десятков тысяч пор, скрывая различия между отдельными устьицами. Новая система устраняет этот пробел и дополняет подходы, где состояние растения оценивают через изменения листьев рядом с плодом.

Зачем нужен строгий контроль среды

Устьица реагируют на изменения среды за считаные минуты. Даже при внешне стабильном виде растения небольшие колебания света или влажности могут изменить их поведение.

В камере исследователи поддерживали температуру около 28 °C и влажность примерно 70%. Это позволило отделить биологические реакции от случайных вибраций или тепловых скачков.

Автоматизация анализа устьиц

Для обработки изображений команда использовала алгоритмы машинного обучения. Программа автоматически распознавала контуры пор, избавляя исследователей от ручной разметки.

Автоматические измерения практически совпали с результатами, полученными вручную. При этом для новых культур или камер модели требуют дополнительного обучения, чтобы сохранить точность.

Почему важно считать достаточно пор

Если анализировать слишком малое количество устьиц, средние значения могут искажаться, особенно когда часть пор полностью закрыта. Команда применила повторную выборку и пришла к выводу, что для надёжных данных нужно отслеживать десятки пор при стабильных условиях.

Это позволило снизить неопределённость и сохранить скорость экспериментов.

Эксперименты со светом и CO₂

В первом тесте исследователи изучали участок листа кукурузы при пяти стабильных комбинациях освещения и концентрации углекислого газа. В темноте почти все поры оставались закрытыми, а при ярком свете и низком CO₂ - широко открывались.

Изменения размеров устьиц точно совпадали с показаниями газовых датчиков, подтверждая корректность метода.

Когда средние значения вводят в заблуждение

Наблюдения показали, что устьица не ведут себя одинаково. Одни оставались закрытыми, даже когда соседние активно открывались. Усреднённые показатели скрывают такие различия и могут маскировать важные биологические сигналы.

Прямая визуализация позволяет изучать, связано ли это с локальными сигналами, задержками реакции или пределами измерений.

Моделирование поведения целого листа

На основе данных о размере и плотности устьиц была создана модель, прогнозирующая общий газообмен участка листа. Прогнозы хорошо совпали с реальными измерениями датчиков.

Это помогает понять, как размер и количество пор работают вместе, а не делать выводы только по итоговым значениям.

Экономия воды в сельском хозяйстве

Орошение потребляет значительную часть пресной воды в США, а засухи напрямую снижают урожайность. Эффективность использования воды повышается, когда устьица пропускают достаточно углерода, но замедляют потерю влаги.

Связывая движения пор с газообменом, система может помочь селекционерам находить сорта, которые экономят воду без ущерба для роста.

Инженерия растений без неожиданных эффектов

Изменение плотности или размера устьиц может приводить к компенсационным эффектам, когда растение открывает поры шире или дольше. Эксперименты с сорго показали, что снижение плотности устьиц повышает устойчивость к засухе, но успех зависит от тонкого баланса признаков.

Системы, которые одновременно наблюдают устьица и газообмен, позволяют выявлять такие эффекты на ранней стадии, ещё до полевых испытаний.

Сравнение: традиционные методы и Stomata In-Sight

Ранее учёные выбирали между визуализацией структуры и измерением функции. Новый подход объединяет оба направления. Традиционные методы проще, но дают усреднённую картину. Stomata In-Sight сложнее в настройке, зато показывает реальные процессы в динамике.