Как оптимизировать рост используемых для биоэнергетики растений?
Новое исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук учеными из Университета Квинсленда, Австралия, переворачивает давнюю теорию в науке о растениях. Исследователи из Департамента энергетики США (DOE) Брукхейвенской национальной лаборатории, которые являются соавторами по этой статье, провели критическое исследование с использованием радиоактивных меток, которое поддерживает новую теорию о том, что растительные сахара играют доминирующую роль в регулировании ответвлений стеблей растений. Хотя ветвление имеет значение для сельского хозяйства, оно также очень важно в производстве растительного сырья для производства биотоплива.
Растительный биолог из Брукхейвена Бенджамин Бабст и Бриттани Винклав, проходившая там летнюю стажировку в рамках программы Министерства энергетики во время работы над своей степенью в Университете Нью-Хейвена, провели очень важный эксперимент, чтобы убедиться, что сахар играет ключевую роль в апикальном доминировании и регуляции роста почек растений. Целью их части данного исследования была проверка того, двигаются ли сахара, произведенные в листьях при фотосинтезе, вниз через растения в больших количествах, когда верхушки побегов удаляются, и достаточно ли быстро, чтобы стимулировать рост почек.
Чтобы проследить сахара, ученые сначала должны были добавить радиоактивные «метки» к этим молекулам. В качестве такой метки они использовали позитрон-излучающий изотоп углерода, углерод-11, включенный в двуокись углерода. Когда они вводили этот помеченный СО2 в листья растений, растения включали радиоактивный углерод в сахара в процессе фотосинтеза. Затем ученые отслеживали меченые сахара по всему растению с помощью детекторов, размещенных вдоль стебля растений.
Время, необходимое меченным сахарам для перемещения между двумя детекторами у верхних и нижних частей стебля, было использовано для расчета скорости транспорта сахара. Ученые также мониторили количество сахара, накапливающегося в различных точках, в том числе там, где ранее спящие почки начали прорастать в ответ на отсечение верхушечных побегов растений.
«Мы обнаружили, что после обезглавливания растения происходит быстрое увеличение поставки сахара к почкам, что способствует росту почек»,- говорит Бабст. Сахара двигались примерно в 100 раз быстрее, чем ауксин – растительный гормон, который, как считалось ранее, регулирует рост почек. Это открытие поддерживает ту идею, что сахар, а не ауксин, является ключевой сигнальной молекулой для этого немедленного реагирования на обрезку.
«Ауксин играет второстепенную роль позже в процессе»,- сказал Бабст.
Брукхейвенский эксперимент также поддерживает идею, что спрос на сахар в неповрежденных, активно растущих верхушечных побегах ограничивает доступность этого питательного вещества в остальном растении, при этом в норме сдерживает рост почек на нижних ветвях.
«Только несколько лабораторий в мире имеют возможность, используя радиоизотоп углерода-11, провести такой тип эксперимента, который мы осуществили, чтобы увидеть быстрые изменения в распределении углерода сразу же после воздействия, такого как удаление верхушечного побега», - говорит Бабст.
«Работа Бена был критически важной для этого исследования», - говорит Кристин Беверидж из Университета Квинсленда, Австралия, которая была ведущим автором документа. - «Его вывод о том, что сахар двигается на 150 см в час вдоль стебля –потрясающий. Методики, доступные в его лаборатории – действительно первоклассные и являются бесценным ресурсом для ученых, изучающих растения по всему миру».
Актуальность для биоэнергетики
Участие Брукхейвена в этом исследовании было профинансировано Научным бюро Министерства энергетики США, которое имеет постоянный интерес в дальнейшем развитии понимания функций растений, которые имеют отношение к генерации биоэнергии.
Например, как говорит Бабст, «Ветвление имеет большое влияние на расположение листьев растения для захвата солнечного света, подобно массивам солнечных батарей. Ветвление также может повышать или ухудшать производительность растений, растущих среди конкурентов. А количество ветвления также влияет на то, сколько биомассы имеет растение – это особо интересно, поскольку стебли составляют основную часть биомассы, которую мы можем использовать для получения биотоплива».
Понимание факторов, которые влияют на ветвление у растений гороха, используемых в данном исследовании, может обеспечить ценную информацию, помогающую оптимизировать рост используемых для биоэнергетики трав, таких как просо и сорго – с которыми, в связи с тем, что почки и верхушки побегов недоступны без повреждения растения и изменения его функций, это было бы невозможно выяснить.