Для производства сельскохозяйственных культур и систем управления растениеводством, которые позволяют поддерживать высокие урожаи в условиях ограниченного доступа воды, необходимо четкое понимание процессов, которые контролируют поглощение воды корнями для её дальнейшего использования растениями. В свое время Штейдлом была предложена композитная модель радиального транспорта воды в корне растений. Согласно этой модели имеются три параллельных пути транспорта воды и растворенных веществ в корне: апопластный, симпластный и трансмембранный. Новые экспериментальные данные последнего десятилетия привели к необходимости усовершенствования классической модели транспорта воды в корне с добавлением последовательно соединенных в корне сопротивлений эпидермиса, кортекса, эндодермиса и других тканей. На сегодняшний день последним шагом в усовершенствовании композитной модели транспорта воды в корне стало появление математической модели MECHA (model of explicit cross-section hydraulic anatomy). Данная модель позволяет рассчитать поток воды через корень, учитывая анатомическую структуру корня и гидравлические параметры мембран, клеточных стенок и плазмодесм (межклеточных каналов) в масштабе отдельных клеток по всему поперечному срезу корня. При этом MECHA предсказывает высокую чувствительность гидравлической проводимости корня к изменению водной проницаемости симпласта и скорости потока воды через плазмодесмы. Однако слабым местом данной модели является недостаток экспериментальных данных о гидравлической проводимости плазмодесм, связанный с отсутствием необходимых методических и технических подходов для измерения скорости потока воды через плазмодесмы.

В данной работе, на примере корней растений кукурузы продемонстрирована методика измерения методом спинового эха ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля трансляционной диффузии воды селективно по симпласту корня с последующим определением эффективного коэффициента проницаемости симпластной системы корня и скорости потока воды через плазмодесмы. Селективность водного переноса по симпластной системе корня была достигнута с помощью эффекта релаксационного подавления сигнала ЯМР от внеклеточной воды путём внедрения в межклеточное пространство корня парамагнитных частиц высокой релаксационной эффективности (парамагнитный допинг). Суть подхода заключается в том, что парамагнитный комплекс проникает в межклеточное пространство тканей корня, но не проникает в клетки, и ускоряет процессы магнитной релаксации межклеточной воды, тем самым, исключая вклад межклеточной воды в регистрируемое затухание спин-эхо ЯМР сигнала. В результате ЯМР-контроль трансляционной диффузии применяется к сигналу от воды, движущейся вдоль симпласта через плазмодесмы, куда парамагнитный комплекс не проникает. В качестве парамагнитных комплексов были использованы Gd-диэтилентриаминпентауксусная кислота (GdDTPA), Mn2+-транс-1,2-диаминоциклогексан-N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты (MnDCTA), и хлорид гадолиния (GdCl3). Было показано, что увеличение концентрации парамагнитных комплексов приводит к побочному эффекту в виде снижения, в разной степени, диффузионного транспорта воды в радиальном направлении корня. Учитывая это, эффективный коэффициент проницаемости плазмодесм был определён с помощью экстраполяции концентрационной зависимости на нулевую концентрацию парамагнитных комплексов. Среди исследованных парамагнитных комплексов наименьшим побочным влиянием на диффузионный транспорт воды при линейной концентрационной зависимости обладал MnDCTA. При использовании парамагнитного комплекса MnDCTA эффективный коэффициент проницаемости симпласта составлял 30 – 35% от величины эффективного коэффициента суммарной межклеточной проницаемости в контроле (корни без воздействия парамагнитными комплексами). При этом скорость потока воды через плазмодесмы корня в радиальном направлении в приближении поршневого режима течения по линейной цепи клеток была оценена в диапазоне (4.5-8.8)х10-7 м/с.

Полученные в данной работе результаты по оценке проницаемости симпластной системы корня кукурузы и скорости потока воды через плазмодесмы могут быть использованы в усовершенствовании существующих математических моделей транспорта воды в корне, в том числе и модели MECHA, а также могут быть полезны в исследовании механизмов координации компонентов гидравлической системы растений на уровне отдельных клеток, тканей и органов целого растения.

Работа поддержана грантом № 22-74-10087 Российского научного фонда (https://rscf.ru/en/project/22-74-10087/).

Crop production and crop management systems that maintain high yields under water limited conditions require a clear understanding of the processes that control root uptake of water for its subsequent use by plants. In his time, Steudle proposed a composite transport model of radial water transfer in plant roots. According to this model, there are three parallel pathways of water and solute transport in the roots: apoplast, symplast and transmembrane. New experimental data of the last decade have led to the need to improve the classical model of water transport in the root with the addition of sequentially connected in the root resistances of epidermis, cortex, endodermis and other tissues. To date, the latest step in improving the composite transport model in the root has been the emergence of the MECHA (model of explicit cross-sectional hydraulic anatomy) model. This model allows the calculation of water flow across the root, taking into account the anatomic structure of the root and the hydraulic parameters of membranes, cell walls and plasmodesmata (intercellular channels) on the scale of individual cells throughout the root cross-section. This model predicts high sensitivity of root hydraulic conductivity to changes in root symplast permeability and water flow rate through plasmodesmata. However, a weakness of this model is the lack of experimental data on the hydraulic conductivity of the plasmodesmata due to the lack of necessary methodological and technical approaches for measuring the rate of water flow through the plasmodesmata.

In this study, we measured translational water diffusion selectively along symplast pathway through plasmodesmata in maize roots, and the effective plasmodesmata permeability coefficient (P) was determined using a nuclear magnetic resonance (NMR) spin echo method. Measuring of water transport selectively along the plant root plasmodesmata was achieved with paramagnetic complexes (PCs) of high relaxation efficiency. PCs penetrate into the intercellular space of root tissue, but not into cells, and accelerate the magnetic relaxation processes of intercellular water, thereby excluding the contribution of intercellular water to the registered NMR diffusion echo attenuation. In result, NMR control of translational diffusion can be applied to the signal of the water moving along the symplast pathway through plasmodesmata, where the PCs do not penetrate. Diethylenetriaminepentaacetic acid (GdDTPA), Mn2+-trans-1,2-diaminocyclohexane-N,N,N',N'-tetraacetic acid (MnDCTA), and GdCl3 were used as PCs. An increase in the PCs concentration led to a side effect in the form of a varying decrease in diffusive water transport in the roots. The P was determined by extrapolating the concentration dependence to zero concentration of PCs. Among the PCs studied, MnDCTA had the least side effects on the water transport when the concentration dependence was linear. When MnDCTA was used, the P accounted for 30–35% of the total cell water permeability (by transmembrane and symplast pathways). The rate of water flow along the plasmodesmata in the approximation of the piston mode of flow along the linear cell chain was estimated to range from 4.5 × 10–7 to 8.8 × 10–7 m/s.

The results obtained in this study on estimating the permeability of the symplast system of maize root and the rate of water flow through the plasmodesmata can be used in improving existing mathematical models of radial water transport in the roots, including the MECHA model, and can also be useful in studying the mechanisms of coordination of plant hydraulic system components.

This study was supported by the Russian Science Foundation (project number 22-74-10087, https://rscf.ru/en/project/22-74-10087/).