В ботанике стома ( мн. ч .: stomata , от греч. στόμα , «рот»), также называемая устьицей ( мн. ч.: stomates ) , представляет собой пору, находящуюся в эпидермисе листьев, стеблей и других органов, которая контролирует скорость газообмена между внутренними воздушными пространствами листа и атмосферой. Пора ограничена парой специализированных паренхимных клеток, известных как замыкающие клетки , которые регулируют размер устьичного отверстия.
Термин обычно используется в совокупности для обозначения всего устьичного комплекса, состоящего из парных замыкающих клеток и самой поры, которая называется устьичной апертурой. [1] Воздух, содержащий кислород , который используется при дыхании , и углекислый газ , который используется при фотосинтезе , проходит через устьица путем газовой диффузии . Водяной пар диффундирует через устьица в атмосферу в рамках процесса, называемого транспирацией .
Устьица присутствуют в спорофитном поколении подавляющего большинства наземных растений , за исключением печеночников , а также некоторых мхов и роголистников . У сосудистых растений количество, размер и распределение устьиц сильно варьируются. Двудольные растения обычно имеют больше устьиц на нижней поверхности листьев, чем на верхней. Однодольные растения, такие как лук , овес и кукуруза, могут иметь примерно одинаковое количество устьиц на обеих поверхностях листьев. [2] : 5 У растений с плавающими листьями устьица могут быть обнаружены только на верхнем эпидермисе, а погруженные листья могут вообще не иметь устьиц. Большинство видов деревьев имеют устьица только на нижней поверхности листьев. [3] Листья с устьицами как на верхней, так и на нижней поверхности листьев называются амфистоматическими листьями; листья с устьицами только на нижней поверхности называются гипостоматическими , а листья с устьицами только на верхней поверхности называются эпистоматическими или гиперстоматическими . [3] Размер варьируется в зависимости от вида, длина от конца до конца составляет от 10 до 80 мкм , а ширина — от нескольких до 50 мкм. [4]
Углекислый газ , ключевой реагент фотосинтеза , присутствует в атмосфере в концентрации около 400 ppm. Большинству растений необходимо, чтобы устьица были открыты в дневное время. Воздушные пространства в листе насыщены водяным паром , который выходит из листа через устьица в процессе, известном как транспирация . Поэтому растения не могут получать углекислый газ, не теряя при этом водяной пар. [5]
Обычно углекислый газ фиксируется в рибулозо-1,5-бисфосфате (РБФ) ферментом РБФ в клетках мезофилла , которые напрямую контактируют с воздушными пространствами внутри листа. Это усугубляет проблему транспирации по двум причинам: во-первых, РБФ имеет относительно низкое сродство к углекислому газу, а во-вторых, он фиксирует кислород в РБФ, тратя энергию и углерод в процессе, называемом фотодыхание . По обеим этим причинам РБФ нуждается в высоких концентрациях углекислого газа, что означает широкие устьичные отверстия и, как следствие, высокую потерю воды.
Более узкие устьичные отверстия могут использоваться в сочетании с промежуточной молекулой с высоким сродством к диоксиду углерода, фосфоенолпируваткарбоксилазой (PEPcase). Однако извлечение продуктов фиксации углерода из PEPCase является энергоемким процессом. В результате альтернатива PEPCase предпочтительна только там, где ограничено количество воды, но много света, или где высокие температуры увеличивают растворимость кислорода по сравнению с растворимостью диоксида углерода, что усугубляет проблему оксигенации RuBisCo.
Группа в основном пустынных растений, называемых растениями «CAM» ( crassulacean acid metabolic , по названию семейства Crassulaceae, включающего виды, в которых впервые был обнаружен процесс CAM), открывают свои устьица ночью (когда вода испаряется медленнее из листьев для данной степени открытия устьиц), используют PEPcase для фиксации углекислого газа и хранения продуктов в больших вакуолях. На следующий день они закрывают свои устьица и выпускают углекислый газ, зафиксированный предыдущей ночью, в присутствие RuBisCO. Это насыщает RuBisCO углекислым газом, обеспечивая минимальное фотодыхание. Однако этот подход сильно ограничен способностью хранить фиксированный углерод в вакуолях, поэтому он предпочтителен только тогда, когда вода сильно ограничена.
Однако большинство растений не имеют CAM и поэтому должны открывать и закрывать свои устьица в дневное время в ответ на изменяющиеся условия, такие как интенсивность света, влажность и концентрация углекислого газа. Когда условия благоприятны для открытия устьиц (например, высокая интенсивность света и высокая влажность), протонный насос выталкивает протоны (H + ) из замыкающих клеток. Это означает, что электрический потенциал клеток становится все более отрицательным. Отрицательный потенциал открывает калиевые потенциалзависимые каналы, и поэтому происходит поглощение ионов калия (K + ). Чтобы поддерживать это внутреннее отрицательное напряжение, чтобы поступление ионов калия не прекращалось, отрицательные ионы уравновешивают приток калия. В некоторых случаях поступают ионы хлора, в то время как у других растений органический ион малат вырабатывается в замыкающих клетках. Это увеличение концентрации растворенного вещества снижает водный потенциал внутри клетки, что приводит к диффузии воды в клетку через осмос . Это увеличивает объем клетки и тургорное давление . Затем, из-за колец микрофибрилл целлюлозы , которые не дают замыкающим клеткам расширяться и, таким образом, позволяют только избыточному давлению тургора удлинять замыкающие клетки, концы которых прочно удерживаются на месте окружающими эпидермальными клетками, две замыкающие клетки удлиняются, выгибаясь друг от друга, создавая открытую пору, через которую может диффундировать газ. [6]
Когда корни начинают ощущать нехватку воды в почве, высвобождается абсцизовая кислота (АБК). [7] АБК связывается с рецепторными белками в плазматической мембране замыкающих клеток и цитозоле, что сначала повышает pH цитозоля клеток и приводит к увеличению концентрации свободного Ca 2+ в цитозоле из-за притока извне клетки и высвобождения Ca 2+ из внутренних хранилищ, таких как эндоплазматический ретикулум и вакуоли. [8] Это заставляет хлорид (Cl − ) и органические ионы выходить из клеток. Во-вторых, это останавливает поглощение любого дальнейшего K + клетками и, следовательно, потерю K + . Потеря этих растворенных веществ вызывает увеличение водного потенциала , что приводит к диффузии воды обратно из клетки путем осмоса . Это приводит к плазмолизу клетки , что приводит к закрытию устьичных пор.
Замыкающие клетки имеют больше хлоропластов, чем другие эпидермальные клетки, из которых происходят замыкающие клетки. Их функция является спорной. [9] [10]
Степень устьичного сопротивления можно определить, измерив газообмен листа. Скорость транспирации зависит от диффузионного сопротивления, обеспечиваемого устьичными порами, а также от градиента влажности между внутренними воздушными пространствами листа и наружным воздухом. Устьичное сопротивление (или его обратная величина, устьичная проводимость ) можно, следовательно, рассчитать из скорости транспирации и градиента влажности. Это позволяет ученым исследовать, как устьица реагируют на изменения условий окружающей среды, таких как интенсивность света и концентрации газов, таких как водяной пар, углекислый газ и озон . [11] Испарение ( E ) можно рассчитать как [12]
где e i и e a — парциальное давление воды в листе и окружающем воздухе соответственно, P — атмосферное давление, а r — устьичное сопротивление. Обратное r — проводимость водяного пара ( g ), поэтому уравнение можно переписать так [12]
и решено для g : [12]
Фотосинтетическое усвоение CO 2 ( A ) можно рассчитать по формуле
где C a и C i — атмосферное и подустьичное парциальное давление CO 2 соответственно [ требуется разъяснение ] . Скорость испарения из листа можно определить с помощью системы фотосинтеза . Эти научные приборы измеряют количество водяного пара, покидающего лист, и давление пара окружающего воздуха. Фотосинтетические системы могут вычислять эффективность использования воды ( A / E ), g , внутреннюю эффективность использования воды ( A / g ) и C i . Эти научные приборы обычно используются физиологами растений для измерения поглощения CO 2 и, таким образом, измерения скорости фотосинтеза. [13] [14]
В палеонтологической летописи имеется мало свидетельств эволюции устьиц, но они появились у наземных растений к середине силурийского периода. [15] Они могли развиться путем модификации концептакул от водорослеподобных предков растений. [16] Однако эволюция устьиц должна была произойти в то же время, когда развивалась восковая кутикула — эти две черты вместе составляли важное преимущество для ранних наземных растений. [ необходима цитата ]
Существует три основных типа эпидермальных клеток, которые в конечном итоге происходят из самого внешнего (L1) слоя ткани апикальной меристемы побега , называемых протодермальными клетками: трихомы , мостовые клетки и замыкающие клетки, все из которых расположены неслучайным образом.
Асимметричное деление клеток происходит в протодермальных клетках, в результате чего образуется одна большая клетка, которая обречена стать клеткой мостовой, и клетка поменьше, называемая меристемоидом, которая в конечном итоге дифференцируется в замыкающие клетки, окружающие стому. Затем этот меристемоид асимметрично делится от одного до трех раз, прежде чем дифференцироваться в замыкающую материнскую клетку. Затем замыкающая материнская клетка совершает одно симметричное деление, которое образует пару замыкающих клеток. [17] В некоторых клетках деление клеток подавляется, поэтому между устьицами всегда находится по крайней мере одна клетка. [18]
Устьичное паттернирование контролируется взаимодействием многих компонентов сигнальной трансдукции , таких как EPF (эпидермальный паттернирующий фактор), ERL (ERecta Like) и YODA (предполагаемая киназа киназы MAP киназы ). [18] Мутации в любом из генов, которые кодируют эти факторы, могут изменить развитие устьиц в эпидермисе. [18] Например, мутация в одном гене приводит к тому, что больше устьиц сгруппированы вместе, поэтому это называется «слишком много ртов» ( TMM ). [17] В то время как нарушение гена SPCH (SPeecCHless) предотвращает развитие устьиц в целом. [18] Ингибирование устьичного производства может происходить за счет активации EPF1, который активирует TMM/ERL, которые вместе активируют YODA. YODA ингибирует SPCH, вызывая снижение активности SPCH, предотвращая асимметричное деление клеток, которое инициирует формирование устьиц. [18] [19] Развитие устьиц также координируется клеточным пептидным сигналом, называемым стомагеном, который сигнализирует об активации SPCH, что приводит к увеличению количества устьиц. [20]
Экологические и гормональные факторы могут влиять на развитие устьиц. Свет усиливает развитие устьиц у растений; в то время как растения, выращенные в темноте, имеют меньшее количество устьиц. Ауксин подавляет развитие устьиц, влияя на их развитие на уровне рецепторов, таких как рецепторы ERL и TMM. Однако низкая концентрация ауксина допускает равное деление материнской замыкающей клетки и увеличивает вероятность образования замыкающих клеток. [21]
Большинство покрытосеменных деревьев имеют устьица только на нижней поверхности листьев. У тополей и ив они есть на обеих поверхностях. Когда листья развивают устьица на обеих поверхностях листьев, устьица на нижней поверхности, как правило, крупнее и многочисленнее, но может быть большая степень вариации в размере и частоте среди видов и генотипов. Листья белого ясеня и белой березы имели меньше устьиц, но больше по размеру. С другой стороны, сахарный клен и серебристый клен имели маленькие устьица, которые были более многочисленны. [22]
Существуют различные классификации типов стомы. Одна из них, которая широко используется, основана на типах, которые Жюльен Жозеф Веске ввел в 1889 году, была далее разработана Меткалфом и Чоком, [23] и позже дополнена другими авторами. Она основана на размере, форме и расположении вспомогательных клеток, которые окружают две замыкающие клетки. [24] Они различают для двудольных :
У однодольных растений встречаются несколько различных типов устьиц, такие как:
У папоротников различают четыре различных типа:
Устьичные крипты — это вдавленные области эпидермиса листа, которые образуют камерную структуру, содержащую одно или несколько устьиц, а иногда и трихомы или скопления воска . Устьичные крипты могут быть приспособлением к засухе и условиям сухого климата, когда устьичные крипты очень выражены. Однако сухой климат — не единственное место, где их можно найти. Следующие растения являются примерами видов с устьичными криптами или предкамерами: Nerium oleander , хвойные, Hakea [26] и Drimys winteri , который является видом растения, встречающимся в облачных лесах . [27]
Устьица — это отверстия в листе, через которые патогены могут беспрепятственно проникать внутрь. Однако устьица могут ощущать присутствие некоторых, если не всех, патогенов. [28] Однако патогенные бактерии, нанесенные на листья растения Arabidopsis , могут выделять химическое вещество коронатин , которое заставляет устьица снова открываться. [29]
Фотосинтез , транспорт воды растениями ( ксилема ) и газообмен регулируются устьичной функцией, которая важна для функционирования растений. [30]
Устьица реагируют на свет, причем синий свет почти в 10 раз эффективнее красного света в вызывании устьичной реакции. Исследования показывают, что это происходит потому, что световая реакция устьиц на синий свет не зависит от других компонентов листа, таких как хлорофилл . Протопласты замыкающих клеток набухают под синим светом при условии достаточной доступности калия . [31] Многочисленные исследования подтвердили, что увеличение концентрации калия может увеличить открытие устьиц по утрам, до начала процесса фотосинтеза, но что позднее днем сахароза играет большую роль в регуляции открытия устьиц. [32] Зеаксантин в замыкающих клетках действует как фоторецептор синего света, который опосредует открытие устьиц. [33] Эффект синего света на замыкающие клетки отменяется зеленым светом, который изомеризует зеаксантин. [33]
Плотность устьиц и их апертура (длина устьиц) изменяются под воздействием ряда факторов окружающей среды, таких как концентрация CO2 в атмосфере , интенсивность света, температура воздуха и фотопериод (продолжительность светового дня). [34] [35]
Уменьшение плотности устьиц является одним из способов, с помощью которого растения реагируют на увеличение концентрации атмосферного CO 2 ([CO 2 ] атм ). [36] Хотя изменения в реакции [CO 2 ] атм наименее изучены с точки зрения механизма, эта реакция устьиц начала выходить на плато, где, как ожидается, вскоре повлияет на процессы транспирации и фотосинтеза в растениях. [30] [37]
Засуха подавляет открытие устьиц, но исследования сои показывают, что умеренная засуха не оказывает существенного влияния на закрытие устьиц ее листьев. Существуют различные механизмы закрытия устьиц. Низкая влажность напрягает замыкающие клетки, вызывая потерю тургора , называемую гидропассивным закрытием. Гидроактивное закрытие противопоставляется целому листу, пораженному стрессом от засухи, который, как полагают, скорее всего вызван абсцизовой кислотой . [38]
Ожидается, что [CO 2 ] атм достигнет 500–1000 ppm к 2100 году. [30] 96% из последних 400 000 лет испытали уровень ниже 280 ppm CO 2 . Исходя из этой цифры, весьма вероятно, что генотипы современных растений разошлись с их доиндустриальными родственниками. [30]
Ген HIC (высокий уровень углекислого газа) кодирует отрицательный регулятор развития устьиц у растений. [39] Исследования гена HIC с использованием Arabidopsis thaliana не обнаружили увеличения развития устьиц в доминантном аллеле , но в рецессивном аллеле «дикого типа» показали значительное увеличение, оба в ответ на повышение уровня CO2 в атмосфере. [39] Эти исследования подразумевают, что реакция растений на изменение уровня CO2 в значительной степени контролируется генетикой.
Эффект удобрения CO 2 был сильно переоценен во время экспериментов по обогащению углекислым газом в свободном воздухе (FACE), где результаты показывают, что повышенные уровни CO 2 в атмосфере усиливают фотосинтез, снижают транспирацию и повышают эффективность использования воды (WUE). [36] Увеличение биомассы является одним из эффектов с моделированием из экспериментов, предсказывающих 5–20% увеличение урожайности сельскохозяйственных культур при 550 ppm CO 2 . [40] Было показано, что скорость фотосинтеза листьев увеличивается на 30–50% у растений C3 и на 10–25% у растений C4 при удвоенных уровнях CO 2 . [40] Существование механизма обратной связи приводит к фенотипической пластичности в ответ на [CO 2 ] атм , что могло быть адаптивным признаком в эволюции дыхания и функционирования растений. [30] [35]
Прогнозирование того, как устьица ведут себя во время адаптации, полезно для понимания производительности растительных систем как в естественных, так и в сельскохозяйственных системах . [34] Селекционеры растений и фермеры начинают работать вместе, используя эволюционную и коллективную селекцию растений, чтобы найти наиболее подходящие виды, такие как устойчивые к жаре и засухе сорта сельскохозяйственных культур, которые могли бы естественным образом адаптироваться к изменениям в условиях проблем продовольственной безопасности. [36]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )