В ботанике, стомы (от греческого στόμα, «рот», множественное число «устьице»), также называется stomate (множественное число «stomates») представляет собой пора, найденная в эпидермисе листьев, стебли, и другие органы, что управляет скорость газообмена. Пора граничит с парой специализированных клеток паренхимы, известных как замыкающие клетки, которые отвечают за регулирование размера устьичного отверстия.
Термин обычно используется в совокупности для обозначения всего устьичного комплекса, состоящего из парных замыкающих клеток и самой поры, которая называется устьичной апертурой. Воздух, содержащий кислород, который используется при дыхании, и углекислый газ, который используется при фотосинтезе, проходит через устьица путем диффузии газов. Водяной пар диффундирует через устьица в атмосферу в результате процесса, называемого транспирацией.
Устьицы присутствуют в поколении спорофитов всех групп наземных растений, кроме печеночников. У сосудистых растений количество, размер и распределение устьиц широко варьируют. У двудольных растений обычно 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 листа. У растений с плавающими листьями устьица могут быть только на верхнем эпидермисе, а погруженные листья могут полностью не иметь устьиц. У большинства древесных пород устьица есть только на нижней поверхности листьев. Листья с устьицами как на верхней, так и на нижней поверхности листа называются амфистоматозными листьями; листья с устьицами только на нижней поверхности гипостоматозны, а листья с устьицами только на верхней поверхности - эпистоматозными или гиперстоматозными. Размер варьируется в зависимости от вида, длина от конца до конца составляет от 10 до 80 мкм, а ширина - от нескольких до 50 мкм.
Двуокись углерода, ключевой реагент фотосинтеза, присутствует в атмосфере в концентрации около 400 частей на миллион. Большинство растений требуют, 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. Следовательно, растения не могут получать углекислый газ без одновременной потери водяного пара.
Обычно диоксид углерода связывается с рибулозо-1,5-бисфосфатом (RuBP) с помощью фермента RuBisCO в клетках мезофилла, находящихся непосредственно в воздушном пространстве внутри листа. Это усугубляет проблему транспирации по двум причинам: во-первых, RuBisCo имеет относительно низкое сродство к диоксиду углерода, а во-вторых, он связывает кислород с RuBP, тратя энергию и углерод в процессе, называемом фотодыханием. По обеим этим причинам RuBisCo нуждается в высоких концентрациях углекислого газа, что означает широкие устьичные отверстия и, как следствие, большую потерю воды.
Более узкое устьичное отверстие может быть использовано в сочетании с промежуточной молекулой с аффинностью диоксида углерода высокого, PEPcase ( фосфоенолпируваткарбоксилазы ). Однако получение продуктов углеродной фиксации из PEPCase является энергоемким процессом. В результате альтернатива PEPCase предпочтительна только там, где количество воды ограничено, но много света, или где высокие температуры увеличивают растворимость кислорода по сравнению с растворимостью углекислого газа, что усугубляет проблему оксигенации RuBisCo.
Группа в основном пустынных растений, называемых «CAM-растениями» ( крассулообразный кислотный метаболизм, в честь семейства Crassulaceae, которое включает виды, у которых процесс CAM был впервые обнаружен), открывают свои устьицы ночью (когда вода испаряется с листьев медленнее в течение определенного периода времени). степень открытия устьиц), используйте ПЭПкарбоксилазу для фиксации углекислого газа и храните продукты в больших вакуолях. На следующий день они закрывают устьица и выделяют углекислый газ, зафиксированный предыдущей ночью, в присутствие RuBisCO. Это насыщает RuBisCO углекислым газом, обеспечивая минимальное фотодыхание. Однако этот подход сильно ограничен способностью накапливать фиксированный углерод в вакуолях, поэтому он предпочтителен только тогда, когда количество воды строго ограничено.
Однако у большинства растений нет САМ, и поэтому они должны открывать и закрывать устьица в дневное время в ответ на меняющиеся условия, такие как интенсивность света, влажность и концентрация углекислого газа. Когда условия способствуют открытию 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 потенциалозависимые каналы, и поэтому происходит захват ионов калия (K +). Чтобы поддерживать это внутреннее отрицательное напряжение, чтобы не прекращалось проникновение ионов калия, отрицательные ионы уравновешивают приток калия. В некоторых случаях проникают ионы хлора, в то время как у других растений малат органического иона вырабатывается в замыкающих клетках. Это увеличение концентрации растворенного вещества снижает водный потенциал внутри клетки, что приводит к диффузии воды в клетку посредством осмоса. Это увеличивает объем клетки и тургорное давление. Затем из-за колец микрофибрилл целлюлозы, которые предотвращают набухание замыкающих клеток по ширине и, таким образом, позволяют только дополнительному тургорному давлению удлинить замыкающие клетки, концы которых прочно удерживаются на месте окружающими эпидермальными клетками, две замыкающие клетки удлиняются. отклоняясь друг от друга, создавая открытую пору, через которую может диффундировать газ.
Когда корни начинают ощущать нехватку воды в почве, выделяется абсцизовая кислота (АБК). АБК связывается с рецепторными белками плазматической мембраны замыкающих клеток и цитозоля, что сначала повышает pH цитозоля клеток и вызывает повышение концентрации свободного Ca 2+ в цитозоле из-за притока извне клетки и высвобождения Ca 2+ из внутренних хранилищ, таких как эндоплазматический ретикулум и вакуоли. Это заставляет хлорид (Cl -) и органические ионы покидать клетки. Во-вторых, это останавливает дальнейший захват К + клетками и, как следствие, потерю К +. Потеря этих растворенных веществ вызывает увеличение водного потенциала, что приводит к диффузии воды обратно из клетки за счет осмоса. Это вызывает плазмолиз клеток, в результате чего устьичные поры закрываются.
Защитные клетки имеют больше хлоропластов, чем другие клетки эпидермиса, из которых происходят замыкающие клетки. Их функция неоднозначна.
Степень устьичного сопротивления может быть определена путем измерения газообмена листа. Скорость транспирации зависит от сопротивления диффузии, обеспечиваемого устьичными порами, а также от градиента влажности между внутренним воздушным пространством листа и наружным воздухом. Следовательно, устьичное сопротивление (или его обратная устьичная проводимость ) можно рассчитать на основе скорости транспирации и градиента влажности. Это позволяет ученым исследовать, как устьица реагируют на изменения условий окружающей среды, такие как интенсивность света и концентрация газов, таких как водяной пар, углекислый газ и озон. Испарение ( E) можно рассчитать как:
где e i и e a - парциальные давления воды в листе и в окружающем воздухе, соответственно, P - атмосферное давление, а r - устьичное сопротивление. Значение, обратное r, - это проводимость водяного пара ( г), поэтому уравнение можно преобразовать к:
и решено для g ;
Фотосинтетическая ассимиляция CO 2 ( A) может быть рассчитана по формуле
где C a и C i - атмосферное и субстоматальное парциальное давление CO 2, соответственно. Скорость испарения с листа можно определить с помощью системы фотосинтеза. Эти научные инструменты измеряют количество водяного пара, покидающего лист, и давление пара в окружающем воздухе. Фотосинтетические системы могут рассчитывать эффективность использования воды ( A / E), g, внутреннюю эффективность использования воды ( A / g) и C i. Эти научные инструменты обычно используются физиологами растений для измерения поглощения CO 2 и, таким образом, измерения скорости фотосинтеза.
В летописи окаменелостей мало свидетельств эволюции устьиц, но они появились у наземных растений к середине силурийского периода. Возможно, они произошли в результате модификации концептуальных образов от водорослоподобных предков растений. Однако эволюция устьиц должна была происходить в то же время, когда развивалась восковая кутикула - эти два признака вместе составляли главное преимущество для ранних наземных растений.
Существует три основных типа эпидермальных клеток, которые в конечном итоге происходят из внешнего (L1) тканевого слоя апикальной меристемы побега, называемых протодермальными клетками: трихомы, тротуарные клетки и замыкающие клетки, все из которых расположены неслучайно.
В протодермальных клетках происходит асимметричное деление клеток, в результате чего одна большая клетка должна стать мостовой, а меньшая клетка, называемая меристемоидом, в конечном итоге дифференцируется в замыкающие клетки, окружающие стому. Этот меристемоид затем асимметрично делится от одного до трех раз, прежде чем дифференцироваться в замыкающую материнскую клетку. Затем замыкающая материнская клетка делает одно симметричное деление, которое образует пару замыкающих клеток. В некоторых клетках деление тормозится, поэтому между устьицами всегда есть хотя бы одна клетка.
Формирование устьичного паттерна контролируется взаимодействием многих компонентов передачи сигнала, таких как EPF (фактор формирования эпидермального паттерна), ERL (ERecta Like) и YODA (предполагаемая киназа киназы киназы MAP ). Мутации в любом из генов, кодирующих эти факторы, могут изменить развитие устьиц в эпидермисе. Например, мутация в одном гене приводит к тому, что больше устьиц сгруппированы вместе, поэтому она называется «Слишком много ртов» ( TMM). В то же время нарушение гена SPCH (SPeecCHless) предотвращает развитие устьиц в целом. Активация устьичной продукции может происходить путем активации EPF1, который активирует TMM / ERL, которые вместе активируют YODA. YODA ингибирует SPCH, вызывая снижение активности SPCH, что способствует асимметричному делению клеток, которое инициирует образование устьиц. Развитие устьиц также координируется сигналом клеточного пептида, называемым стомагеном, который сигнализирует об угнетении SPCH, что приводит к увеличению числа устьиц.
Факторы окружающей среды и гормональные факторы могут повлиять на развитие устьиц. Свет увеличивает 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 обеспечивает равное деление замыкающей материнской клетки и увеличивает шанс продуцирования замыкающих клеток.
У большинства покрытосеменных деревьев устьица имеется только на нижней поверхности листьев. Они есть у тополей и ив с обеих сторон. Когда листья развивают устьица на обеих поверхностях листа, устьица на нижней поверхности имеют тенденцию быть больше и многочисленнее, но могут быть большие различия в размере и частоте встречаемости в зависимости от видов и генотипов. Белый ясень и листья белой березы имели меньше устьиц, но больше по размеру. С другой стороны, сахарный клен и серебряный клен был небольшой устьица, которые были более многочисленны.
Существуют разные классификации типов стомы. Тот, который широко используется, основан на типах, которые Жюльен Жозеф Веск представил в 1889 году, был разработан Меткалфом и Чоком и позже дополнен другими авторами. Он основан на размере, форме и расположении вспомогательных ячеек, которые окружают две замыкающие ячейки. Для двудольных различают:
У однодольных встречается несколько различных типов устьиц, например:
У папоротников различают четыре разных типа:
Устьичные крипты - это углубленные участки эпидермиса листа, которые образуют камероподобную структуру, содержащую один или несколько устьиц, а иногда и трихомы или скопления воска. Устьичные крипты могут быть приспособлением к засушливым и сухим климатическим условиям, когда устьичные крипты очень выражены. Однако сухой климат - не единственное место, где их можно найти. Следующие растения являются примерами видов с устьичными криптами или прихожими: Nerium oleander, хвойные деревья и Drimys winteri, который является видом растений, произрастающих в облачном лесу.
Устьица - это очевидные отверстия в листе, через которые, как предполагалось некоторое время, могут беспрепятственно проникать патогены. Однако недавно было показано, что устьица действительно ощущают присутствие некоторых, если не всех, патогенов. Однако при нанесении вирулентных бактерий на листья растения арабидопсис в эксперименте бактерии высвободили химический коронатин, который заставил устьица снова открыться в течение нескольких часов.
Засуха препятствует открытию устьиц, но умеренная засуха не оказала значительного влияния на закрытие устьиц сои. Существуют разные механизмы закрытия устьиц. Низкая влажность вызывает стресс у замыкающих клеток, вызывая потерю тургора, называемую гидропассивным закрытием. Гидроактивное закрытие контрастирует с тем, что весь лист подвергается воздействию стресса засухи, который, как полагают, скорее всего, вызван абсцизовой кислотой.
Фотосинтез, водный транспорт растений ( ксилема ) и газообмен регулируются устьичной функцией, которая важна для функционирования растений.
Устьица чувствительны к свету, при этом синий свет почти в 10 раз эффективнее красного в отношении реакции устьиц. Исследования показывают, что это связано с тем, что световая реакция устьиц на синий свет не зависит от других компонентов листа, таких как хлорофилл. Протопласты защитных клеток набухают в синем свете при наличии достаточного количества калия. Многочисленные исследования подтвердили, что повышение концентрации калия может увеличить открытие устьиц по утрам, до начала процесса фотосинтеза, но что позже в течение дня сахароза играет большую роль в регулировании открытия устьиц.
Плотность устьиц и апертура (длина устьиц) варьируются в зависимости от ряда факторов окружающей среды, таких как концентрация CO 2 в атмосфере, интенсивность света, температура воздуха и световой период (продолжительность дня).
Уменьшение плотности устьиц - один из способов реакции растений на повышение концентрации CO 2 в атмосфере ([CO 2 ] атм). Хотя изменения в ответе [CO 2 ] атм в наименьшей степени изучены механически, этот ответ устьиц начал выходить на плато, где вскоре ожидается, что он повлияет на процессы транспирации и фотосинтеза у растений.
Ожидается, что [CO 2 ] атм достигнет 500–1000 ppm к 2100 году. 96% из последних 400 000 лет имели уровни CO 2 ниже 280 ppm. Исходя из этого рисунка, весьма вероятно, что генотипы современных растений отличались от их доиндустриальных родственников.
Ген HIC (высокое содержание углекислого газа) кодирует негативный регулятор развития устьиц у растений. Исследование гена HIC с использованием Arabidopsis thaliana не выявило увеличения развития устьиц в доминантном аллеле, но в рецессивном аллеле «дикого типа» было обнаружено большое увеличение, как в ответ на повышение уровня CO 2 в атмосфере. Эти исследования предполагают, что реакция растений на изменение уровня CO 2 в значительной степени контролируется генетикой.
Эффект удобрения CO 2 был сильно переоценен во время экспериментов по обогащению двуокиси углерода (FACE) в открытом воздухе, результаты которых показывают, что повышенный уровень CO 2 в атмосфере усиливает фотосинтез, снижает транспирацию и увеличивает эффективность использования воды (WUE). Увеличение биомассы - это один из эффектов моделирования экспериментов, предсказывающих увеличение урожайности на 5–20% при 550 ppm CO 2. Показано, что скорость фотосинтеза листьев увеличивается на 30–50% у растений C3 и на 10–25% у растений C4 при удвоении уровней CO 2. Существование механизма обратной связи приводит к фенотипической пластичности в ответ на [CO 2 ] атм, что, возможно, было адаптивным признаком в эволюции дыхания и функции растений.
Прогнозирование работы устьиц во время адаптации полезно для понимания продуктивности систем растений как для естественных, так и для сельскохозяйственных систем. Селекционеры и фермеры начинают работать вместе, используя эволюционное и совместное селекцию растений, чтобы найти наиболее подходящие виды, такие как устойчивые к жаре и засухе сорта сельскохозяйственных культур, которые могут естественным образом эволюционировать в соответствии с изменениями перед лицом вызовов продовольственной безопасности.