Что такое устьица у растений: Устьица растений | это… Что такое Устьица растений?

Содержание

Устьица растений | это… Что такое Устьица растений?

находятся в их кожице (эпидермисе). Каждое растение находится в постоянном обмене с окружающей атмосферой. Оно постоянно поглощает кислород и выделяет углекислоту. Кроме того, своими зелеными частями оно поглощает углекислоту и выделяет кислород. Затем, растение постоянно испаряет воду. Так как кутикула, которой покрыты листья и молодые стебли, очень слабо пропускает через себя газы и водяные пары, то для беспрепятственного обмена с окружающей атмосферой в кожице имеются особые отверстия, называемые У. На поперечном разрезе листа (фиг. 1) У. представляется в виде щели (S), ведущей в воздухоносную полость (i).

Фиг. 1. Устьице (S) листа гиацинта в разрезе.

По обеим сторонам У. находится по одной замыкающей клетке. Оболочки замыкающих клеток дают в сторону устьичного отверстия по два выроста, благодаря которым оно распадается на две камеры: передний и задний дворик. При рассматривании с поверхности — У. представляется в виде продолговатой щели, окруженной двумя полулунными замыкающими клетками (фиг. 2).

Фиг. 2. Устьице листа Sedum purpurascens с поверхности.

Днем У. открыты, на ночь же они закрываются. У. закрываются также днем во время засухи. Закрывание У. производится замыкающими клетками. Если кусочек кожицы листа положить в воду, то У. продолжают оставаться открытыми. Если же воду заменить раствором сахара, вызывающим плазмолиз клеток, то У. закроются. Так как плазмолиз клеток сопровождается уменьшением их объема, то отсюда следует, что закрывание У. есть результат уменьшения объема замыкающих клеток. Во время засухи замыкающие клетки теряют часть своей воды, уменьшаются в объеме и закрывают У. Лист оказывается покрытым сплошным слоем кутикулы, слабо пропускающей водяные пары, чем и предохраняется от дальнейшего высыхания. Ночное закрывание У. объясняется следующими соображениями. Замыкающие клетки постоянно содержат в себе хлорофилловые зерна и поэтому способны к усвоению атмосферной углекислоты, т. е. к самостоятельному питанию. Накопленные на свету органические вещества сильно притягивают к себе из окружающих клеток воду, поэтому замыкающие клетки увеличиваются в объеме и открываются. Ночью же выработанные на свету органические вещества расходуются, а вместе с ними утрачивается способность притягивать воду, и У. закрываются. У. находятся как на листьях, так и на стеблях. На листьях они помещаются или на обеих поверхностях, или же на одной из них. Травянистые, мягкие листья имеют У. как на верхней, так и на нижней поверхности. Твердые кожистые листья имеют У. почти исключительно на нижней поверхности. У листьев, плавающих на поверхности воды, У. исключительно находятся на верхней стороне. Количество У. у различных растений очень различно. Для большинства листьев число У., находящихся на одном квадратном миллиметре, колеблется между 40 и 300. Наибольшее число У. находится на нижней поверхности листа Brassica Rapa — на 1 кв. мм 716. Существует некоторая зависимость между количеством У. и влажностью места. В общем растения влажных местностей имеют более У., чем растения сухих местностей. Кроме обыкновенных У., служащих для газового обмена, у многих растений имеются еще водяные У. Они служат для выделения воды не в газообразном состоянии, но в жидком. Вместо лежащей под обыкновенными У. воздухоносной полости под водяными У. находится особая водоносная ткань, состоящая из клеток с тонкими оболочками. Водяные У. встречаются по большей части у растений сырых местностей и находятся на различных частях листьев независимо от находящихся тут же обыкновенных У. Водяные У. выделяют капли воды по большей части тогда, когда вследствие большой влажности воздуха не могут испарять воду воздухоносные У. Кроме водяных У., существует целый ряд разнообразных приспособлений для выделения листьями воды в жидком виде. Все такие образования получили название гидатод (Hydathode). Примером могут служить гидатоды Gonocaryum pyriforme (фиг. 3).

Фиг. 3. Гидатода листа Gonocaryum pyriforme.

На поперечном разрезе через лист видно, что некоторые из клеток кожицы особенным образом изменились и превратились в гидатоды. Каждая гидатода состоит из трех частей. Наружу выдается идущий вкось вырост, пронизанный узким канальцем, через который вытекает вода гидатоды. Средняя часть имеет вид воронки с очень утолщенными стенками. Нижняя часть гидатоды состоит из тонкостенного пузыря. Некоторые растения выделяют своими листьями большие количества воды, не имея никаких особо устроенных гидатод. Напр. различные виды Salacia выделяют между 6—7 часами утра такие большие количества воды, что вполне заслуживают названия дождевых кустарников: при легком прикосновении к ветвям с них падает настоящий дождь. Вода выделяется простыми порами, покрывающими в большом количестве наружные оболочки клеток кожицы.

В. Палладин.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон.
1890—1907.

Лекарству от голода — средство от засухи

Вам кажется, что медицина — наука перспективная, а вот ботаника давно устарела? Тогда вы можете пойти на кухню, заварить чаю, намазать кусочек хлеба маслом. .. Минуточку, а из чего сделан хлеб, который вы держите в руках? Не из семян ли тех самых растений, которые уже можно не изучать, ведь с ними всё и так ясно?

Рисунок 1. Механизм работы устьиц. Вода выходит из замыкающих клеток вслед за ионами — устьица закрываются. Вода входит в замыкающие клетки вслед за ионами — устьица открываются.

Растения — наше лекарство от голода.

Вопрос обеспечения продовольствием — то есть, что кушать завтра? — один из самых главных на Земле.

«Почему же сложно выращивать больше и лучше?» — спросите вы.

Раньше селекционеры пытались увеличить биомассу потребляемых частей растений, например, размер зерновок в колосе. Но этот способ имеет ограничения: слишком большой колос со спелыми зерновками полегал, и собирать его комбайнами было невозможно. Кроме этого, подводный камень селекции в том, что, улучшая, «одомашнивая» растения, мы уменьшаем их приспособленность. Помните, как часто надо пропалывать грядки, а сорняки всё растут и растут?. .

Новый виток селекции — в сторону увеличения приспособленности. И в этой статье я расскажу вам о приспособленности к засухе.

Растения — заложники своего типа питания: чтобы жить, злаковое растение пропускает через себя в сутки более 1 литра воды. Если вам кажется мало, попробуйте на досуге выжать из почвы бутылочку воды. Из почвы вода проходит в корень и под действием корневого давления движется вверх по растению в листья, где испаряется через особые поры листа — устьица. Эти структуры в покровной ткани листа (до 300 на 1 мм²) устроены сравнительно просто. Две «губы», называющиеся замыкающими клетками, регулируют ширину устьичной щели. Иногда их называют «гвардейскими» клетками, недопереводя с английского guard cells. Особенность их функционирования в том, что для открывания устьица нужно просто закачать воду в замыкающие клетки — и они разойдутся, а для закрывания — выкачать. Вот, кажется, и решение проблем засухи: если нельзя полить всю пустыню, то можно закрыть устьица, и растение сможет жить на сэкономленной воде. Как же это сделать? Проведя ряд исследований, ученые выяснили, что есть вещество, вызывающее выход ионов из замыкающих клеток устьиц, причем вода выходит в межклетники вслед за ионами, и устьица закрываются (рис. 1). Это вещество — фитогормон абсцизовая кислота (АБК).

Да, у растений тоже есть гормоны! Только их мало, они, в основном, небелковые, и один гормон регулирует бесчисленное количество функций. В частности, АБК вызывает покой семян и почек (зерна кукурузы, не отвечавшие на ее действие, прорастали прямо в початке), опадение листьев, а также защищает от воздействия стрессоров (при засухе — закрыванием устьиц, ростом корня в длину (поближе к воде) и синтезом ряда белков, удерживающих воду и предотвращающих деградацию биомолекул). Как и у животных, гормон действует через свой рецептор — PYR1. При связывании с ним гормона происходит ингибирование фосфатазы PP2C и фосфорилирование дальнейших белков каскада (в том числе и ионных каналов клеток устьиц).

Микросъёмка работы устьиц на листьях папоротника.

Однако обрабатывать растения АБК очень дорого. Дело в том, что молекула АБК имеет хиральные центры, и активной является S(+)-форма, а при искусственном синтезе АБК образуется смесь форм S(+) и R(−), разделение которой требует больших затрат. Ученые предложили оригинальное, на мой взгляд, решение.

Вопрос: «Чем ужé обрабатывают поля летом?»

Ответ: «Агрохимикатами».

Идея: «Давайте подстроим структуру рецептора АБК (PYR1) так, чтобы он реагировал на какой-то агрохимикат».

Рисунок 2. Структура рецептора PYR1 в области связывания лиганда. а — нормальный рецептор, связанный с АБК; b — мутантый рецептор, связанный с мандипропамидом; с — мандипропамид и нормальный рецептор: для мандипропамида не хватает места (затруднения показаны красными стрелками). Рисунок из [1].

Рисунок 3. Формулы абсцизовой кислоты и мандипропамида. Заметьте, вещества не сильно похожи. Рисунок из [1].

Была создана коллекция растений Arabidopsis thaliana (классического объекта генетических экспериментов), мутантных по рецептору PYR1 в области связывания с АБК. Среди них был выбран ряд растений, реагирующих на некоторые пестициды, как на АБК. После направленного мутагенеза для увеличения сродства рецептора к химикату были получены мутанты PYR1^MANDI. MANDI — потому что вещество, на которое начал отвечать рецептор, — фунгицид мандипропамид [1]. Мутация затрагивала аминокислоты, отвечающие за связь c АБК (PYR1(Y58H/K59R/V81I/F108A/S122G/F159L)). Рентгеноструктурный анализ и компьютерное моделирование показали, что именно изменилось в этом участке рецептора (рис. 2). Видно, что мандипропамид не связывался с нормальным (WT) рецептором потому, что в нем маловато места (рис. 2с).

Рисунок 4. Измерение температуры листа томата. WT — нормальное растение, PYR1^MANDI — мутантное. Раз лист мутантного теплее, его устьица закрыты. Рисунок из [1].

На рисунке 3 представлены химические структуры АБК и мандипропамида. Видно, что эти соединения не очень похожи.

После этого быстро проверили эффект наличия мутантного рецептора у растения. Да, я не оговорился, именно быстро — при помощи метода RNA-seq. Сравнили транскриптомы мутантного и нормального растений без обработки и при обработке мандипропамидом и АБК. Между транскриптомами нормального и мутантного растения в отсутствие воздействия коэффициент корреляции Пирсона (r) был 0,99. Показали, что мандипропамид не действовал на нормальное растение из-за невозможности соединиться с рецептором (r=0,18), но вызывал схожий с нормальным ответ у мутанта PYR1^MANDI (r=0,90). И, внимание (!), самое важное — мутация не влияла на действие эндогенной АБК: корреляция между транскриптомами WT+АБК и PYR1^MANDI+АБК была 0,97. Это связано с тем, что имеется ещё 14 вариантов рецептора абсцизовой кислоты.

Хорошо, мало ли — транскриптомы совпали, а устьица-то закрываются? Да, закрываются. При этом был применен интересный способ измерения — непрямой: измерение температуры листьев мутантных растений томата (да, ГМ-помидорчик тоже сделали*). Когда устьица открывались, вода испарялась — лист охлаждался; вода не испарялась — нагревался (рис. 4). Температура листьев мутантного томата была выше примерно на 2 градуса.

* — О достижениях биоинженерии на поприще создания трансгенных растений можно узнать из статьи «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [2]. — Ред.

Замечательно, почти безвредная мутация, даже устьица закрываются, а как с приспособленностью? Увеличивается! Посмотрите на рисунок 5: слева — нормальное, а справа — мутантное растение Arabidopsis. Эти растения выращивали 3 недели, а потом 11 дней не поливали, создав условия засухи. Дважды за этот период растения обрабатывали мандипропамидом. И вот, на двенадцатый день ученые сжалились над бедными растениями и все же напоили их. Мутанту, судя по фото, теперь хорошо, а вот нормальному растению, похоже, уже нет…

Подведем итог. Авторы применили подходы системной биологии для изменения физиологии растений. Такой прием, по их мнению, можно использовать для изучения сигнальных путей абсцизовой кислоты и других фитогормонов, начиная от их рецепторов. Кроме того, работа предлагает новый способ улучшения устойчивости зерновых культур. На мой взгляд, идея чрезвычайно оригинальна: подобрать не лиганд под рецептор, а рецептор под лиганд!

Рисунок 5. Растения Arabidopsis после 11 дней засухи. WT — нормальное растение (дикий тип), PYR1^MANDI — мутантное. Рисунок из [1].

Park S., Peterson F.C., Mosquna A., Yao J., Volkman B.F., Cutler S.R. (2015). Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors. Nature. doi: 10.1038/nature14123;
Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?.

Информация об устьицах растений — Какова функция устьиц у растений

Советы и информация по садоводству

Автор: Бонни Л. Грант, сертифицированный городской агроном

Image by defun

Растения такие же живые, как и мы, и обладают физическими характеристиками, которые помогают им жить так же, как люди и животные. Устьица являются одними из наиболее важных атрибутов растения. Что такое устьица? По сути, они действуют как крошечные рты и помогают растению дышать. На самом деле, название устьица происходит от греческого слова «рот». Устьица также важны для процесса фотосинтеза.

Что такое устьица?

Растениям необходимо поглощать углекислый газ. Углекислый газ является неотъемлемой частью фотосинтеза. Под действием солнечной энергии он превращается в сахар, который способствует росту растений. Устьица помогают в этом процессе, собирая углекислый газ. Поры устьиц также обеспечивают растительную версию выдоха, когда они выделяют молекулы воды. Этот процесс называется транспирацией и увеличивает поглощение питательных веществ, охлаждает растение и, в конечном счете, позволяет проникать углекислому газу.

В микроскопических условиях устьица (одиночные устьица) выглядят как крошечный тонкогубый рот. На самом деле это клетка, называемая защитной клеткой, которая набухает, чтобы закрыть отверстие, или сдувается, чтобы открыть его. Каждый раз, когда устьица открываются, происходит выделение воды. Когда он закрыт, возможна задержка воды. Это тщательный баланс, чтобы держать устьица достаточно открытыми для сбора углекислого газа, но достаточно закрытыми, чтобы растение не высыхало.

Устьица у растений, по сути, играют ту же роль, что и наша дыхательная система, хотя целью является не поступление кислорода, а другого газа, углекислого газа.

Информация об устьицах растений

Устьица реагируют на сигналы окружающей среды, чтобы знать, когда открывать и закрывать. Поры растений устьиц могут ощущать изменения окружающей среды, такие как температура, свет и другие сигналы. Когда восходит солнце, клетка начинает наполняться водой.

Когда защитная ячейка полностью набухает, давление увеличивается, создавая поры, что позволяет выходить воде и газообмену. Когда стома закрыта, замыкающие клетки заполнены калием и водой. Когда стома открыта, она наполняется калием с последующим притоком воды. Некоторые растения более эффективно держат устьица открытыми настолько, чтобы впустить CO2, но уменьшить количество потерянной воды.

Хотя транспирация является важной функцией устьиц, сбор CO2 также жизненно важен для здоровья растений. Во время транспирации устьица выделяют побочный продукт фотосинтеза – кислород. Собранный углекислый газ превращается в топливо для производства клеток и других важных физиологических процессов.

Устьица находятся в эпидермисе стеблей, листьев и других частей растения. Они повсюду для того, чтобы максимизировать урожай солнечной энергии. Для фотосинтеза растению требуется шесть молекул воды на каждые шесть молекул СО2. В очень засушливые периоды устьица остаются закрытыми, но это может свести к минимуму количество солнечной энергии и происходящего фотосинтеза, вызывая снижение энергии.

Последний раз эта статья обновлялась 07.09.22

Узнайте больше о Советы и информация по садоводству

Вы нашли это полезным? Поделитесь этим с вашими друзьями!

Устьичная биология и не только | Тема исследования Frontiers

Устьица, окруженные парой замыкающих клеток, представляют собой микроскопические поры в эпидермисе побегов растений. Устьичные поры служат в качестве пути с низким сопротивлением для диффузионного движения газа и водяного пара между растением и окружающей средой, поэтому вносят значительный вклад в сельское хозяйство и глобальные круговороты воды и углерода. Параллельно с этим, как естественные отверстия в листе, устьица используются в качестве удобного пути проникновения широкого спектра патогенов, что создает серьезную угрозу для урожая сельскохозяйственных культур. В последнее время благодаря исследованиям фундаментальных механизмов, лежащих в основе устьичной функции, развития и формирования паттерна как на молекулярном, так и на системном уровнях, было получено много информации, что делает замыкающую клетку одной из наиболее охарактеризованных модельных систем для клеток растений и биологии развития. Кроме того, новые интересные области в биологии устьиц включают передачу сигналов вторичных мессенджеров и метаболитов, механику клеточной стенки, механизмы памяти и эволюцию развития, функции и сигнальных путей. Эта тема исследования направлена на проведение оригинальных исследований, которые могут еще больше улучшить наше понимание биологии устьиц

Кроме того, одной из важных целей исследований в области биологии устьиц является разработка новых стратегий управления развитием, активностью и/или физиологией устьиц для повышения урожайности и эффективности использования воды. В последние годы мы стали свидетелями поразительного прогресса в попытках манипулировать устьичными системами с помощью комбинации генетических, оптических и химических подходов. Таким образом, устьичная биотехнология имеет такое же значение, как и фундаментальная наука, и представляет широкий интерес в различных областях, мы поощряем представление оригинальных исследовательских статей с акцентом на трансляционную сторону устьичной биологии.

Таким образом, мы приветствуем оригинальные исследовательские статьи, включая, помимо прочего, следующие области:
• Развитие и эволюция устьиц
• Деление устьичных клеток и дифференцировка клеточных судеб
• Клеточная биология в развитии и функционировании устьиц
• Иммунитет устьиц
• Передача сигналов клетками при движении устьиц
• Физиология замыкающих клеток
• Механика клеточной стенки в развитии и функционировании устьиц
• Функция замыкающих клеток и стресс
• Химическая генетика/геномика в биологии устьиц
• Оптика и химия в биологии устьиц.