Аквафотомиката и възкръсващият Родопски силивряк разкриват тайните на уникалната му сухоустойчивост

Животът на нашата планета е неразривно свързан с водата. Въпреки това, има организми, способни да преживеят дълги периоди без нея. Наричат ги анхидробиотни организми. Такива са и малка група растителни видове, известни като “възкръсващи растения”, способни да преживеят изключително дълго с почти напълно изсушени вегетативни тъкани и да се възстановят бързо и напълно, при нов приток на вода. Естествено, тези растителни видове са много хубави моделни системи. Това важи особено за Балканския ендемит Haberlea rhodopensis или Родопски силивряк, 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 се осъществи страхотен напредък в разкриването на механизмите на устойчивостта към засушаване при възкръсващите растения, на различни равнища. По-доброто разбиране на това явление може да ни помогне да приложим насочено генетично подобряване на културните растения, за по-висока толерантност към засушаване, по-добро приспособяване към климатичните промени и в допълнение по-дълбоко осъзнаване на ролята на водата за живота.

Общоприето е, че възкръсващите растения имат набор от адаптивни механизми, които помагат за справяне със засушаването – всички насочени към запазване на интегритета на клетъчните структури при оксидативен стрес. По правило, досегашните изследвания не обръщаха почти никакво внимание на водата в организмите, като на партньор на биологичните структури по време и след силен стрес.

В живите организми, водата представлява сложна молекулна матрица, съставена от определен брой различни водни молекулни структури, които постоянно се оформят от другите съставки на системата (биомолекулите) и от околната среда. С други думи, вероятността водата да играе активна роля при толерантността към засушаване не е била взимана предвид.

И тук на помощ идва аквафотомиката.


РЕКЛАМА:

***

За първи път, две лаборатории, водещи в различни области на научното познание, обединиха усилията си – 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 лабораторията на проф. д-р Димитър Джилянов от Агробиониститута в София, България, работеща с възкръсващи растения и особено с H. rhodopensis. Те съумяха да създадат опитна постановка, в която да сравнят реакцията на H. rhodopensis и на невъзкръсващ 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.

При изсушаване, в листата на възкръсващото растение настъпва фино преструктуриране на водата, което подготвя тъканите да издържат пълно изсушаване, чрез натрупване на водни димери и водни молекули с 4 водородни връзки, в същото време намалявайки драстично свободните водни молекули. Вероятно, това регулиране на водните структури е механизмът, чрез който растението предпазва тъканите си от повредите по време на пълно изсушаване.

Откритието, че водната структура е важен параметър от защитата на растението при засушаване дава нови насоки за биоинженерство, с цел повишаване на сухоустойчивостта на растенията.

В статия, публикувана онлайн на 28 февруари 2019 г. в 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 отношенията 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 подложена 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;
  • При рехидратация на възкръсващото растение настъпват частични промени в почти всички водни видове, като това става подредено, без хаос;
  • Не-възкръсващото растение, подложено на изсушаване не показа промени във водните си структури, докато все още е живо.

Перспективи

Изследването може да се смята за първи опит за разширяване на нашето познание върху механизмите, с чиято помощ, някои организми постигат забележителната си толерантност към екстремно засушаване. Разкрита е нова цел за модифициране, с оглед постигането на по-добра сухоустойчивост при растенията, което очевидно отваря много възможности за различни стратегии за повлияване на водните молекулни структури, което да доведе до намаляване на свободните водни молекули и увеличаване на водата с водородни връзки. Използваният метод – аквафотомикс, спектроскопия в близката инфрачервена област позволява директен, недеструктивен подход за наблюдение на жизнените процеси, структурата и динамиката на водата в реално време. Той може да се смята за ценен, нов инструмент за изучаване не само на устойчивостта на растенията към абиотичен и биотичен стрес, но и на много други явления в живите организми.

Кратък Речник

  • Анхидробиозис – състояние на организма, в което той не показва видими признаци на живот, метаболитната му активност не подлежи на измерване и изглежда, че животът е замрял при липсата на вода.
  • Възкръсващи растения – разнородна група от около 350 растителни вида, които имат способността да се възстановят след продължителен период на пълно засушаване.
  • Аквафотомикс – нова научна област в която се изследват съставът, качеството и функциите на биологичните и водните компоненти чрез взаимодействието между светлината с различни честоти и водата в съответната система.
  • Спектроскопия в близката инфрачервена област – аналитична технология, която използва взаимодействието със светлината в близката инфрачервена област на електромагнитния спектър (780-2500 nm), за да се получи информация за структурата или физичните характеристики на анализираното съединение/материал/проба.
  • Водна молекулна матрица – молекулярната мрежа на водата се състои от различни водни молекулни видове, които в резултат на различната сила на ковалентните връзки, благодарение на водородното свързване и местоположението, водят до едновременното съществуване на много различни структури с различна функционалност.

Автори за кореспонденция:

■ Проф. Димитър Джилянов, Агробиоинститут, София, България, +359 885 033 160, email: d_djilianov@abi.bg

■ Professor Dr Roumiana Tsenkova, Kobe University Graduate School of Agriculture Science, +81 78 803 5911, email: rtsen@kobe-u.ac.jp


Европейска нощ на учените 2022 г.: