В данной работе представлен оригинальный методический и технический подход на базе низкопольного спин-эхо ЯМР для неинвазивного и непрерывного исследования водного переноса в корнях интактных растений при действии повышенной концентрации СО2. Для реализации данного подхода была разработана и изготовлена портативная камера роста растений, имеющая возможность сопряжения с ЯМР установкой и газовой системой. Исследование интенсивности межклеточного водного переноса производилось на основе измерения коэффициента самодиффузии воды в тканях корня. Для этого был использован метод спин-эхо ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. С помощью метода, представленного в данной работе, было показано, что водная проницаемость клеток в радиальном направлении всасывающей зоны корня уменьшается приблизительно в 1,5 раза при повышении уровня СО2 до максимального значения в 1%. Впервые получена динамика изменения водной проводимости в корнях в зависимости от концентрации СО2, которая показывает, что величина и скорость снижения водного переноса возрастают с увеличением концентрации СО2. Предполагается, что трансмембранный путь переноса воды через аквапорины вносит значительный вклад в суммарное снижение межклеточной водной проводимости в тканях корня в ответ на повышение концентрации СО2.
углекислый газ, транспорт воды в корнях растений, ядерный магнитный резонанс
1. Qiao Y., Zhang H., Dong B., Shi Ch., Li Y., Zhai H., Liu M. Effects of elevated CO2 concentration on growth and water use efficiency of winter wheat under two soil water regimes. Agricultural Water Management, 2010, vol. 97, pp. 1742-1748.
2. Prior S.A., Runion G.B., Marble S.Ch., Rogers H.H., Gilliam Ch.H., Torbert H.A. A review of elevated atmospheric co2 effects on plant growth and water relations: implications for horticulture. Hort Science, 2011, vol. 46, no. 2, pp. 158-162.
3. Jiang Y., Xu Z., Zhou G., Liu T. Elevated CO2 can modify the response to a water status gradient in a steppe grass: from cell organelles to photosynthetic capacity to plant growth. BMC Plant Biology, 2016, vol. 16. DOI:https://doi.org/10.1186/s12870-016-0846-9.
4. Zaghdoud Ch., Mota-Cadenas C., Carvajal M., Muries B., Ferchichi A., Martínez-Ballesta M. Elevated CO2 alleviates negative effects of salinity on broccoli (Brassica oleracea L. var Italica) plants by modulating water balance through aquaporins abundance. Environmental and Experimental Botany, 2013, vol. 95, pp.15-24.
5. Huang B., Xu Y. Cellular and molecular mechanisms for elevated CO2 regulation of plant growth and stress adaptation. Crop Science, 2015, vol. 55, pp. 1-20.
6. Domec J.-C., Palmroth S., Ward E., Maier Ch., Therezien M., Oren R. Acclimation of leaf hydraulic conductance and stomatal conductance of Pinus taeda (loblolly pine) to long-term growth in elevated CO2 (free-air CO2 enrichment) and N-fertilization. Plant, Cell and Environment, 2009. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2009.02014.x.
7. Hao Guang-You, Holbrook N.M., Zwieniecki M.A., Gutschick V.P., Bassiri-Rad H. Coordinated responses of plant hydraulic architecture with the reduction of stomatal conductance under elevated CO2 concentration. Tree Physiology OO, 2018, pp. 1-12.
8. Sarker B.C., Hara M. Effects of elevated CO2 and water stress on root structure and hydraulic conductance of solanum melongena l. Bangladesh J. Bot., 2009, vol. 38, no. 1, pp. 55-63.
9. Leakey A.D.B., Ainsworth E.A., Bernacchi C.J., Rogers A., Long S.P., Ort D.R. Elevated CO2 effects on plant carbon, nitrogen and water relations: six important lessons from FACE. Journal of Experimental Botany, 2009, vol. 60, pp. 2859-2876.
10. Calvo O.C., Franzaring J., Schmid I., Fangmeier A. Root exudation of carbohydrates and cations from barley in response to drought and elevated CO2. Plant and Soil, 2019, vol. 438, pp. 127-142.
11. Easlon H.M., Bloom A.J. The effects of rising atmospheric carbon dioxide on shoot-root nitrogen and water signaling. Frontiers in Plant Science, 2013, vol. 4. DOI:https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00304.
12. Gorska A., Ye Q., Holbrook N.M., Zwieniecki M.A. Nitrate control of root hydraulic properties in plants: translating local information to whole plant response. Plant Physiology, 2008, pp. 1159-1167.
13. Gebauer T., Bassiri-Rad H. Effects of high atmospheric CO2 concentration on root hydraulic conductivity of conifers depend on species identity and inorganic nitrogen source. Environmental Pollution, 2011, vol. 159, pp. 3455-3461.
14. Stirzaker R.J., Passioura J.B. The water relations of the root-soil interface. Plant, Cell and Environment, 1996, vol. 19, pp. 201-208.
15. Velikanov G.A., Sibgatullin T.A., Belova L.P., Ionenko I.F. Membrane water permeability of maize root cells under two levels of oxidative stress. Protoplasma, 2015, vol. 252, pp. 1263-1273.
16. Anisimov A.V., Dautova N.R., Suslov M.A. Growth function and intercellular water transfer in excised roots. Protoplasma, 2019. DOI:https://doi.org/10.1007/s00709-019-01388-w.
17. Cho C.H., Hong Y.S., Kang K., Volkov V.I., Skirda V., Lee C.Y., Lee C.H. Water self-diffusion in Chlorella sp. studied by pulse field gradient NMR. Magn Reson Imaging, 2003, vol. 21, pp. 1009-1017.
18. Van As.H. Intact plant MRI for the study of cell water relations, membrane permeability, cell-to-cell and long distance water transport. Journal of Experimental Botany, 2007, vol. 58, pp. 743-756.
19. Ishida N., Koizumi M., Kano H. The NMR microscope: a unique and promising tool for plant science. Annual Botany, 2000, vol. 86, pp. 259-278.
20. Anisimov A.V. Spin-echo NMR study of the translational water diffusion selectively along the apoplast and the cytoplasmic and vacuolar symplasts of plants. Biophysics, 2004, vol. 49, pp. 816-821.
21. Tanner J.E. Use of the stimulated echo in NMR diffusion studies. Journal of Chemical Physics, 1970, vol. 52, pp. 2523-2526.
22. Anisimov A.V., Sorokina N.Y., Dautova N.R. Water diffusion in biological porous systems: a NMR approach. Magn Reson Imaging, 1998, vol. 16, pp. 565-568.
23. Crick F. Diffusion in embryogenesis. Nature, 1970, vol. 225, pp. 420-422.
24. Cooper R.L., Chang D.B., Young A.C., Martin C.J., Ancker-Johnson B. Restricted diffusion in biophysical systems. Biophysical Journal, 1974, vol. 14, pp. 161-177.
25. Javot H., Maurel C. The role of aquaporins in root water uptake. Annual Botany, 2002, vol. 90, pp. 301-313.
26. Adiredjo A., Navaud O., Grieu Ph., Lamaze Th. Hydraulic conductivity and contribution of aquaporins to water uptake in roots of four sunflower genotypes. Botanical Studies, 2014, vol. 55. DOI:https://doi.org/10.1186/s40529-014-0075-1.
27. Sutka M., Li G., Boudet J., Boursiac Y., Doumas P., Maurel C. Natural variationof root hydraulics in Arabidopsis grown in normal and salt-stressed conditions. Plant Physiology, 2011, vol. 155, pp. 1264-1276.
28. Anisimov A.V., Suslov M.A., Alyab’ev A.Yu. Symplasmic transport of water along the root depends on pressure. Russ. J. Plant. Physiol., 2014, vol. 61. DOI:https://doi.org/10.1134/S1021443714040025.
29. Carr D.H., Brown J., Bydder G.M., Steiner R.E., Weinmann H.J., Speck U., Hall A.S., Young I.R. Gadolinium-DTPA as a contrast agent in MRI: Initial clinical experience in 20 patients. Am. J. Radiol., 1984, vol. 143, no. 2, pp. 215-224.
