Впервые показано, что умеренное повышение температуры листа индуцирует в нем развитие небольших электрических ответов
Растения существуют в изменчивых и зачастую неблагоприятных условиях окружающей среды, что требует функционирования многообразных адаптационных механизмов для их выживания при действии стрессоров. Исследование таких адаптационных механизмов и выявление путей управления ими открывает широкие перспективы для сохранения урожая сельскохозяйственных растений при действии засухи и высоких температур, развитии болезней, атаках вредителей и при появлении других факторов, угрожающих жизни растений. В настоящее время преобладающее большинство исследователей изучают относительно медленные адаптационные процессы, время развития которых варьируется от нескольких часов до дней и недель. Однако в случае стремительного развития действия стрессоров такие адаптационные ответы могут оказаться недостаточно эффективными, поэтому актуальной фундаментальной и прикладной задачей является выявление механизмов, приводящих к формированию адаптационных изменений в пределах от минуты до десятков минут после начала действия стрессового фактора.
Одним из таких механизмов являются электрические ответы растений, которые активно изучаются в работах Владимира Сухова, доцента кафедры биофизики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, и его коллег. Последние достижения команды нижегородских исследователей в этой области представлены в статье «High-temperature tolerance of photosynthesis can be linked to local electrical responses in leaves of pea», которая была опубликована в рамках отдельной исследовательской темы международного научного журнала Frontiers in Physiology, посвященной роли межклеточных электрических сигналов в адаптации и коммуникации растений.
Исследователями было впервые показано, что умеренное повышение температуры листа индуцирует в нем развитие небольших электрических ответов, которые продолжаются в течение нескольких минут. Приблизительно в половине экспериментов такие ответы наблюдаются даже при повышении температуры листа всего лишь до 30°С, т.е. в условиях, типичных для летнего периода. Более сильный нагрев (до 40 и 45°С), который соответствует развитию экстремально высоких температур в летний сезон, вызывает дополнительное появление электрических ответов в листьях растений. Такой результат имеет принципиальную важность, так как в предыдущих исследованиях электрические ответы были индуцированы нагревом участков растения до температуры выше 50°С, что делает закономерным вопрос: насколько возникающие при сильном нагреве электрические ответы могут наблюдаться в естественных условиях или в поле.Полученный результат показывает, что такое не только возможно, но и является весьма вероятным событием.
Однако сам факт генерации электрического ответа не доказывает его участия в адаптационном процессе. Ранее нижегородскими исследователями было показано, что электрические ответы, вызванные предварительным сильным нагревом участка растения, значительно влияют на фотосинтетический процесс растения в целом, и в частности повышают его устойчивость к последующему действию высоких температур. В то же время возможность положительного влияния электрических ответов, вызванных умеренным нагревом, на теплоустойчивость фотосинтетического процесса требует дополнительного анализа, который и был выполнен Суховым и его группой. При этом показано, что параметры электрических сигналов тесно связаны с теплоустойчивостью фотосинтетического процесса. Более высокая теплоустойчивость наблюдается при более высокой амплитуде электрических ответов, при большем количестве таких ответов, возникающих в ходе нагрева, а также в случае более низкого температурного порога развития электрического ответа. Полученные результаты позволяют заключить, что генерация электрических ответов играет существенную роль в увеличении теплоустойчивости фотосинтетических процессов в листьях растения; причем развитие такого эффекта не требует действия экстремально высоких температур, а может происходить в условиях обычного жаркого дня.
Полученные результаты открывают широкие перспективы для разработки методов управления устойчивостью сельскохозяйственных растений к высоким температурам путем управления их способностью к генерации электрических ответов. В частности, в условиях угрозы действия высоких температур, которую можно оценить на базе прогноза погоды, или при раннем выявлении термического повреждения у растений в условиях поля целесообразно применять методы, облегчающие генерацию электрических ответов в ответ на умеренный нагрев листьев. Согласно результатам, ранее полученным коллективом исследователей из Нижегородского университета и поддержанных Российским научным фондом (Проект 14-26-00098), в качестве такого метода может быть использована обработка растений стрессовыми гормонами, которые способны существенно влиять на состояние растений в очень низких действующих концентрациях.
Таким образом, разработки нижегородских ученых открывают пути к управлению устойчивостью растений путем регуляции их электрогенеза. Однако необходимым условием для подобного управления является реализация системы «обратной связи», которая позволит осуществить раннюю диагностику температурного повреждения конкретного растения (или их группы) в условиях поля и принять необходимые меры. Создание такой системы на базе регистрации отражательных индексов листа является основной текущей задачей Сухова и его группы и выполняется при поддержке Российского научного фонда (Проект 17-76-20032).
