Mikroskopske pore na površini listova zvane stomati pomažu biljkama da „dišu“ kontrolišući koliko vode gube usled isparavanja. Ove stomatalne pore takođe omogućavaju i kontrolišu unos ugljen-dioksida za fotosintezu i rast.
Još u 19. veku, naučnici su znali da biljke povećavaju otvore svojih stomatalnih pora da bi se transpirirali, ili „znoje“, slanjem vodene pare kroz stomate da se ohlade. Danas, sa globalnim temperaturama i toplotnim talasima u porastu, širenje stomatalnih pora smatra se ključnim mehanizmom koji može da minimizira oštećenje biljaka od toplote.
Ali više od jednog veka, biljnim biolozima je nedostajalo potpuno objašnjenje genetskih i molekularnih mehanizama iza povećanog stomatalnog „disanja“ i procesa transpiracije kao odgovora na povišene temperature.
Škola bioloških nauka Univerziteta Kalifornije u San Dijegu dr. student Nativong Pankasem i profesor Julian Schroeder su konstruisali detaljnu sliku ovih mehanizama. Njihovi nalazi, objavljeni u časopisu Novi fitolog, identifikuju dva puta koja biljke koriste da se nose sa rastućim temperaturama.
„Sa povećanjem globalnih temperatura, očigledno postoji pretnja poljoprivredi od uticaja toplotnih talasa“, rekao je Šreder. „Ovo istraživanje opisuje otkriće da rastuće temperature izazivaju otvaranje stomata jednim genetskim putem (mehanizmom), ali ako se toplota još više pojača, postoji još jedan mehanizam koji se aktivira da poveća otvaranje stomata.“
Decenijama, naučnici su se borili da pronađu jasnu metodu za dešifrovanje mehanizama koji leže u osnovi otvaranja stomata izazvanih porastom temperature zbog složenih potrebnih procesa merenja. Poteškoća je ukorenjena u složenoj mehanici uključenoj u podešavanje vlažnosti vazduha (takođe poznate kao razlika u pritisku pare ili VPD) na konstantne vrednosti dok se temperatura povećava, kao i u teškoćama razdvajanja reakcija temperature i vlažnosti.
Pankasem je pomogao u rešavanju ovog problema tako što je razvio novi pristup za stezanje VPD listova na fiksne vrednosti pri rastućim temperaturama. Zatim je otkrio genetske mehanizme niza temperaturnih reakcija stomata, uključujući faktore kao što su senzori plavog svetla, hormoni suše, senzori ugljen-dioksida i proteini osetljivi na temperaturu.
Važan za ovo istraživanje bio je analizator izmene gasa nove generacije koji omogućava poboljšanu kontrolu VPD-a (pričvršćivanje VPD-a na fiksne vrednosti). Istraživači sada mogu da sprovode eksperimente koji razjašnjavaju temperaturne efekte na otvaranje stomata bez potrebe za uklanjanjem listova sa celih živih biljaka.
Rezultati su otkrili da odgovor stomatalnog zagrevanja diktira mehanizam koji se nalazi u biljnim linijama. U ovoj studiji, Pankasem je istraživao genetske mehanizme dve biljne vrste, Arabidopsis thaliana, dobro proučavane vrste korova, i Brachipodium distachion, cvetnice koja je povezana sa glavnim žitaricama kao što su pšenica, kukuruz i pirinač, što predstavlja pogodan model. za ove useve.
Istraživači su otkrili da su senzori ugljen-dioksida centralni igrač u reakcijama stomatalnog zagrevanja-hlađenja. Senzori ugljen-dioksida otkrivaju kada se lišće brzo zagreva. Ovo pokreće povećanje fotosinteze u listovima koji se zagrevaju, što rezultira smanjenjem ugljen-dioksida. Ovo zatim pokreće stomatalne pore da se otvore, omogućavajući biljkama da imaju koristi od povećanja unosa ugljen-dioksida.
Zanimljivo je da je studija takođe pronašla drugi put odgovora na toplotu. Pod ekstremnom toplotom, fotosinteza u biljkama je pod stresom i opada, a otkriveno je da toplotni odgovor stomata zaobilazi sistem senzora ugljen-dioksida i isključuje se iz normalnih odgovora vođenih fotosintezom. Umesto toga, stomati koriste drugi put reagovanja na toplotu, za razliku od ulaska kroz zadnja vrata u kuću, da bi se „znojili“ kao mehanizam za hlađenje.
„Uticaj drugog mehanizma, u kojem biljke otvaraju svoje stomate bez dobijanja koristi od fotosinteze, rezultirao bi smanjenjem efikasnosti korišćenja vode u biljnim kulturama“, rekao je Pankasem. „Na osnovu naše studije, biljke će verovatno zahtevati više vode po jedinici unesenog CO 2. Ovo može imati direktne implikacije na planiranje navodnjavanja za proizvodnju useva i velike efekte povećane transpiracije biljaka u ekosistemima na hidrološki ciklus kao odgovor do globalnog zagrevanja“.
„Ovaj rad pokazuje važnost fundamentalnih istraživanja vođenih radoznalošću u pomaganju u rešavanju društvenih izazova, izgradnji otpornosti u ključnim oblastima poput poljoprivrede i, potencijalno, unapređenju bioekonomije“, rekao je Richard Cir, programski direktor u Nacionalnoj naučnoj fondaciji SAD Uprava za biološke nauke. „Dalje razumevanje molekularne složenosti koja kontroliše osnovu funkcije stomata na višim temperaturama moglo bi da dovede do strategija za ograničavanje količine vode potrebne za poljoprivredu u uslovima globalnog povećanja temperature.“
Sa novim detaljima u ruci, Pankasem i Schroeder sada rade na razumevanju molekularnih i genetskih mehanizama koji stoje iza sekundarnog sistema odgovora na toplotu.
