У растений есть удивительная способность использовать сахар для заживления ран

Фото из открытых источников

Поврежденное растение само восстанавливается. Сломанный стебель дает боковые побеги, а обрезанный куст отрастает гуще. Можно предположить, что растение просто насыщает поврежденное место своим сладким питанием. Всё не так просто. Животные могут расширять кровеносные сосуды и направлять топливо к ране, но растение не может изменить свою кровеносную систему.

Новое исследование отследило движение этого топлива в заживающей ране и обнаружило, что растение неожиданно использует содержащийся в нем сахар. Результаты исследования опубликованы в журнале bioRxiv.

Восстановление тканей — один из самых затратных процессов для растения. Новые клетки быстро делятся и растут, сжигая сахар — топливо, которое растение производит в процессе фотосинтеза. Доставить это топливо к поврежденному участку — самая сложная задача.

Эта загадка заинтересовала Идана Эфрони, биолога растений из Еврейского университета в Иерусалиме (HUJI), и Ротема Матосевича, аспиранта в его лаборатории. Они работали с Arabidopsis thaliana, небольшим растением семейства горчичных, широко используемым в исследованиях растений.

Для начала они отрезали кончик корня, его зону роста, и наблюдали за его восстановлением. Удаление листьев или блокирование фотосинтеза химическими веществами замедляли процесс восстановления. Когда они снова подкармливали растение сахаром, кончик корня заживал.

Обрезка кончика корня кажется фатальной, однако, как показали предыдущие эксперименты, пенёк восстанавливает всю точку роста в течение нескольких дней. Настоящий вопрос заключался в том, куда делся сахар за это время.

Они отслеживали сахарозу, основной сахар, который транспортирует растение, используя светящийся заменитель. В здоровом корне она поступала прямо в верхушку. После обрезки она останавливалась, оказываясь вне зоны, пытаясь отрасти заново.

Это создавало противоречие. Сахар из листьев был явно необходим, но основной транспортный сахар растения не попадал в поврежденную ткань. Что-то другое должно было доставить топливо на последнем отрезке пути к поврежденным клеткам.

В поисках недостающего элемента команда позаимствовала Glifon — светящийся датчик, первоначально разработанный для отслеживания сахара внутри клеток животных и человека. В растениях он загорается там, где скапливается этот сахар. Метка, обозначающая глюкозу — более простой сахар, чем сахароза, — оставалась тусклой на здоровом кончике раны, а затем, по мере заживления, загорелась яркой полосой ниже пореза. Свечение усилилось в течение первого дня.

До этой работы никто не наблюдал подобного перераспределения сахара внутри живых, заживающих тканей. Растение не заливало рану своим обычным сахаром. Вместо этого оно собирало другой сахар — глюкозу — в месте образования новых клеток.

По всей видимости, этот процесс обусловлен быстрой генетической реакцией. В течение нескольких часов после среза растение активирует гены вокруг раны, прежде чем у новых клеток начнет заканчиваться топливо. Эти гены создают часть механизма, необходимого для перенаправления сахара.

Система работает на основе двух компонентов. Один из них — фермент, который расщепляет сахарозу на глюкозу между клетками, что, как объясняется в одном из обзоров, является этапом, ранее связанным с привлечением сахара к нуждающимся в нем тканям. Другой механизм — это насос, который перекачивает высвобожденную глюкозу в восстанавливающиеся клетки.

Вместе они действуют как ловушка для сахара. Превращая сахарозу в глюкозу и втягивая ее внутрь, они поддерживают низкий уровень сахара в клетках, расположенных рядом с раной, что, по мнению исследователей, направляет запасы сахара растения к месту восстановления. Топливо достигает места повреждения, не перемещая стационарные трубопроводы завода.

Чтобы проверить, действительно ли этот механизм способствует заживлению, команда поочередно отключала гены. Растения без них с трудом восстанавливались, особенно в условиях нехватки сахара, что является обычной ситуацией в дикой природе.

Обратная ситуация бросалась в глаза еще сильнее. Дополнительные копии одного гена, отвечающего за импорт сахара, позволяли растениям быстрее восстанавливаться, используя гораздо меньше топлива, и достигать полного восстановления, затрачивая примерно треть сахара, необходимого обычным растениям.

Однако был и предел. Больше топлива не всегда означало лучше. Если слишком сильно давить на импортера, ремонт снова замедлялся. Похоже, что установка настроена на узкий диапазон рабочих режимов.

Даже время срабатывания говорило само за себя. Гены, отвечающие за синтез сахара, активировались в течение нескольких часов после отключения электроэнергии, задолго до того, как у растения закончилось топливо через день-два. Система была настроена заранее, а не собрана уже после того, как клетки начали испытывать голодание.

«Повреждение сопровождается быстрым и локализованным изменением транспорта сахара», — объясняет Эфрони.

Система рассматривает повреждение не столько как чрезвычайную ситуацию, на которую нужно реагировать, сколько как потребность, к которой он готовится, целенаправленно управляя своими ограниченными запасами топлива.

Та же стратегия проявилась и при совершенно другом типе повреждения. Если удалить всю корневую систему саженца, он начнет пускать новые корни от основания стебля, при этом те же гены активируются вокруг места повреждения.

Данное исследование устанавливает нечто конкретное. Поврежденное растение не распределяет сахар равномерно. Вместо этого, он быстро и целенаправленно создает очаг концентрации глюкозы в месте повреждения, изменяя механизм перемещения сахара. Активация этой системы ускоряет заживление.

Это открывает практические возможности. Урожай постоянно подвергается физическому воздействию штормов, насекомых и техники, и часто ему приходится восстанавливаться при ограниченном энергетическом балансе во время засухи или жары. Система, которая более эффективно использует топливо, сможет быстрее восстановиться. 

Светящийся датчик сам по себе является прорывом. Впервые исследователи могут наблюдать за перемещением сахара в живом растении и видеть, где он накапливается, что поднимает новые вопросы о том, как растения распределяют энергию в процессе роста и восстановления.