Аквафотомиката и възкръсващото растение Haberlea rhodopensis разкриват тайните на уникална сухоустойчивост 

Haberlea rhodopensis; Източник: D. Djilianov

Две лаборатории, водещи в различни области на научното познание – тази на проф. д-р Румяна Ценкова от Университета в Кобе, Япония, провеждаща in-vivo недеструктивен спектроскопски мониторинг в близката инфрачервена област върху живи системи (NIRS) и на проф. д-р Димитър Джилянов от Агробиониститут в София, България, работеща с възкръсващи растения и особено с H. rhodopensis, обединиха усилията си, за да разкрият механизмите на устойчивост към екстремно засушаване при растенията.

Водата е с ключово значение за живота на нашата планета – едновременно като част от околната среда и/или съставна част на живите системи. Организмите да развили по време на еволюцията си различни механизми за справяне със стреса от воден недостиг. Това важи особено за растителното царство, тъй като растенията трябва да преживеят водния недостиг „на място”, неспособни да избягат от неблагоприятните условия.

Има една малка група растения, наречени възкръсващи, които са способни да преживеят дълги периоди (месеци, години) с почти напълно изсушени вегетативни тъкани и да се възстановят бързо и напълно, когато водата е налична отново. Естествено, тези растителни видове са много хубави моделни системи. Това важи особено за Балканския ендемит Haberlea rhodopensis, който независимо от благоприятните условия на хабитатите си в България и Гърция, е съхранил в генома си възможността да възкръсва, възникнала преди повече от 40 милиона години!

През последните години сме свидетели на значителен прогрес в разкриване на различните нива на механизмите на устойчивост към изсушаване при възкръсващите растения. По правило, обаче те са фокусирани върху биологичните компоненти на тези био-водни системи. Почти никакво внимание не се обръщаше досега на ролята на водата като партньор в системата при изсушаване и възстановяване от силен стрес!

И тук на помощ идва АКВАФОТОМИКАТА!!!

Изследователите създадат опитна постановка, в която да сравнят реакцията на H. rhodopensis и на не-възкръсващ вид, принадлежащ към същото ботанично семейство при изсушаване и възстановяване и да приложат NIR спектроскопски измервания на водните структури в листата на двата растителни вида. В статия, публикувана наскоро в сп. „Scientific. Reports“ учените показаха че:

  • В живите организмите, водата е агрегат (сбор) от определен брой различни молекулни структури (водни видове);
  • Всички други компоненти, както и пертурбациите на био-водната система “оформят” водната матрица, която, като сборно огледало, отразява промените в молекулярните структури и околната среда;
  • Финото реструктуриране и промените в съотношенията между водните молекулни видове позволява на възкръсващите растения да се приспособят към промените, настъпили при изсушаване;
  • Всички водни структури (с различно тегло и следователно с различно влияние и роля) са пряко свързани със съответното функциониране на цялата биологична система;
  • Спектралният модел на водата е интегриран маркер за функционалността на биологичната система;
  • При изсушаване, водната матрица на възкръсващото растение е подложено на фина настройка от страна на биологичните компоненти на системата. Това осигурява постоянно съотношение между водните видове, независимо от бързото намаляване на водното съдържание в тъканите. При пълно изсушаване настъпва рязко намаляване на свободните водни молекули и увеличаване на водните димери и водните молекули с 4 водородни връзки.
    Динамика на различните видове вода при издушаване и възстановяване на H. rhodopensis (A) и не-възкръсващо растение (В); Източник: Kuroki, S. et al. Sci. Rep. (2019). doi:10.1038/s41598-019-39443-4

     

  • Не-възкръсващото растение, подложено на изсушаване не показа промени във водните си структури, докато все още е живо.
  • При рехидратация на възкръсващото растение настъпват частични промени в почти всички водни видове, като това става подредено, без хаос;

Настоящото изследване може да се смята за новаторско, допринасяйки значително за по-доброто разбиране на механизмите, чрез които някои организми постигат забележителната си толерантност към екстремно засушаване.

Shinichiro Kuroki et al. Water molecular structure underpins extreme desiccation tolerance of the resurrection plant Haberlea rhodopensis, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-39443-4

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedInPrint this page