Все растения растут и развиваются в постоянно изменяющихся условиях. Для формирования адаптации к различным негативным факторам среды требуется распространение по растению дистанционных сигналов, которые могут регулировать физиологические процессы, вызывая функциональные изменения на уровне целого организма. Значительную роль в ответе на стрессор играют электрические сигналы (ЭС), они особо важны для реагирования на быстронарастающие стрессоры среды, такие как изменение температуры, освещённости, атаку листогрызущих насекомых и т.д. Наряду с быстронарастающими стрессорами на растения в природной среде могут воздействовать факторы, на протяжении длительного времени модифицирующие статус сигнальных систем, что влияет на формирование адаптации и устойчивости растений. Одним из таких хронических факторов может являться повышенный уровень ионизирующего излучения (ИИ) в зоне произрастания растений. Согласно данным литературы и предыдущим работам, ЭС претерпевают изменения в условиях повышенной радиационной нагрузки. Однако до сих пор остается не исследованным вопрос о механизмах влияния ИИ на стрессовые сигналы и роли облучения в формировании индуцируемых сигналом функциональных ответов. Целью данной работы является анализ механизмов влияния хронического облучения на ЭС растений и процесс преобразования сигналов в фотосинтетический ответ.

В работе использовались растения табака (Nicotiana tabacum L.), экспрессирующие флуоресцентный ратиометрический рН-чувствительный белок Pt-GFP и пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) сорта «Дарья». В качестве хронически действующего источника ИИ использовался закрытый источник 90Sr-90Y. Источник ИИ располагался над растениями на расстоянии около 22 см. Мощность дозы источника составляла примерно 31 мкЗв/час. Для обеспечения равномерного облучения растения регулярно перемещались относительно источника. Облучение начиналось со дня посадки и продолжалось на протяжении всего периода выращивания растений, общее время облучения растений табака 6 недель, растений пшеницы – 2 недели. Суммарная накопленная доза составляла около 32 мГр для табака и 11,3 мГр для пшеницы. Контрольные растения выращивались в аналогичных условиях в отсутствии источника ИИ. В качестве морфометрических параметров определялась площадь листьев, сырой и сухой вес контрольных и облучённых растений. ЭС индуцировался нагревом кончика листа при помощи резистора. Регистрация поверхностных потенциалов производилась при помощи макроэлектродной техники. Для регистрации параметров фотосинтеза растений табака использовался РАМ-флуориметр. Детекция изменений pH на уровне целого растения осуществлялась по флуоресценции Pt-GFP с использованием установки флуоресцентного имиджинга на целом растении, а также с использованием конфокального микроскопа. Устьичная проводимость оценивалась при помощи инфракрасного газоанализатора. Анализ концентраций фитогормонов проводился методом жидкостной хроматомасс-спектрометрии.

На устойчивость к стрессорам значительное влияние оказывает базовый статус растения – состояние в покое. Результаты проведённых экспериментов демонстрируют увеличение морфометрических показателей, таких как сырой и сухой вес, площадь листа у облученных растений. При действии ИИ у растений также имеет место повышение активности фотосинтеза.

У контрольных и облучённых растений локальное раздражение вызывает распространение стрессового ЭС. В нашем эксперименте ИИ не вызывало изменений в амплитуде индуцированных локальным нагревом ЭС. При прохождении по листу ЭС вызывает временное снижение интенсивности фотосинтеза, что, согласно данным литературы, способствует формированию устойчивости растений к неблагоприятным условиям. У облучённых растений обнаружено усиление фотосинтетических ответов, вызываемых ЭС, а также наблюдается существенное нарушение корреляции между амплитудами ЭС и вызываемых ими ответов.

Снижение активности световой стадии фотосинтеза при прохождении ЭС может быть связано с 1) изменениями внутри и внеклеточного pH, и 2) с изменением устьичной проводимости и доступности СО2. В ходе изучения первого потенциального механизма – сдвигов рН – обнаружено, что у облученных растений при прохождении ЭС имели место более выраженные сдвиги рН. Также наблюдалось нарушение корреляции между амплитудами ЭС и pH, сходное с эффектами, оказываемыми ИИ на ответы фотосинтеза. В качестве ключевой мишени ИИ, влияющей на величину сдвигов рН, по-видимому, выступает Н+-АТФаза. Показано, что у облучённых растений её активность возрастает. Изучение второго потенциального механизма – изменения устьичной проводимости – показало, что ИИ также усиливает вызванных ЭС ответы устьиц. Влияние ИИ, вероятно, реализуется за счёт изменения концентрации фитогормонов. Показано, что у облучённых растений усиливаются ответы жасмоновой и абсцизовой кислот.

Таким образом, результаты экспериментов позволяют предположить существование двух основных путей модификации вызываемых ЭС фотосинтетических ответов у растений табака, выращенных в условиях хронического облучения. Первый путь связан с влиянием ИИ на системы поддержания рН клетки, второй – на систему регуляции устьичной проводимости.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект № 075-15-2021-1068)

All plants grow and develop in constantly changing conditions. For the formation of adaptation to various negative environmental factors, the distribution of remote signals through the plant is required, which can regulate physiological processes, causing functional changes at the level of the whole organism. Electrical signals (ES) play a significant role in the response to a stressor; they are especially important for responding to rapidly growing environmental stressors, such as changes in temperature, illumination, attack by leaf-eating insects, etc. Along with rapidly growing stressors, plants in the natural environment can be affected by factors that modify the status of signaling systems for a long time, which affects the formation of plant adaptation and resistance. One of these chronic factors may be an increased level of ionizing radiation (IR) in the area of plant growth. According to the literature data and previous works, ES undergo changes under conditions of increased radiation load. However, the question of the mechanisms of the influence of IR on stress signals and the role of irradiation in the formation of signal-induced functional responses still remains unexplored. The purpose of this work is to analyze the mechanisms of the effect of chronic irradiation on plant ES and the process of signal conversion into a photosynthetic response.

We used tobacco plants (Nicotiana tabacum L.) expressing the fluorescent ratiometric pH-sensitive protein Pt-GFP and common wheat (Triticum aestivum L.) cv. Darya. A sealed source of 90Sr-90Y was used as a chronically active source of IR. The IR source was located above the plants at a distance of about 22 cm. The dose rate of the source was approximately 31 µSv/h. To ensure uniform irradiation, the plants were regularly moved relative to the source. Irradiation began from the day of planting and continued throughout the entire period of growing plants, the total time of irradiation of tobacco plants was 6 weeks, wheat plants - 2 weeks. The total cumulative dose was about 32 mGy for tobacco and 11.3 mGy for wheat. Control plants were grown under similar conditions in the absence of an IR source. The leaf area, wet and dry weight of control and irradiated plants were determined as morphometric parameters. ES was induced by heating the tip of the sheet with a resistor. Registration of surface potentials was carried out using macroelectrode technology. A PAM fluorometer was used to record the photosynthesis parameters of tobacco plants. Detection of changes in pH at the level of the whole plant was carried out by Pt-GFP fluorescence using a whole plant fluorescence imaging setup, as well as using a confocal microscope. Stomatal conductance was assessed using an infrared gas analyzer. Analysis of the concentrations of phytohormones was carried out by liquid chromatography-mass spectrometry.

Stress resistance is significantly affected by the basic status of the plant - the state at rest. The results of the experiments performed demonstrate an increase in morphometric parameters, such as wet and dry weight, leaf area in irradiated plants. Under the action of IR, plants also show an increase in the activity of photosynthesis.

In control and irradiated plants, local irritation causes the spread of stress ES. In our experiment, IR did not cause changes in the amplitude of ES induced by local heating. When passing through the leaf, ES causes a temporary decrease in the intensity of photosynthesis, which, according to the literature, contributes to the formation of plant resistance to adverse conditions. In irradiated plants, an increase in photosynthetic responses caused by ES was found, and a significant violation of the correlation between the amplitudes of ES and the responses caused by them was also observed.

A decrease in the activity of the light stage of photosynthesis during the passage of ES can be associated with 1) changes in intracellular and extracellular pH, and 2) changes in stomatal conductance and CO2 availability. In the course of studying the first potential mechanism, pH shifts, it was found that more pronounced shifts in pH occurred in irradiated plants during the passage of ES. Also, there was a violation of the correlation between the amplitudes of ES and pH, similar to the effects exerted by IR on the responses of photosynthesis. H+-ATPase appears to be the key target of IR, which affects the magnitude of pH shifts. It is shown that in irradiated plants its activity increases. The study of the second potential mechanism, changes in stomatal conductance, showed that IR also enhances ES-induced stomatal responses. The influence of IR is probably realized due to changes in the concentration of phytohormones. It has been shown that the responses of jasmonic and abscisic acids are enhanced in irradiated plants.

Thus, the experimental results suggest the existence of two main pathways for modifying ES-induced photosynthetic responses in tobacco plants grown under chronic irradiation. The first pathway is associated with the influence of IR on the cell pH maintenance systems, and the second, on the stomatal conductance regulation system.

The work was supported by the Ministry of Education and Science (Project No. 075-15-2021-1068)