Растения дышат и «потеют» через устьица, микроскопические поры на листьях, стеблях и других органах растений. Через устьица растения поглощают углекислый газ для фотосинтеза и выдыхают продукты этого процесса, кислород и водяной пар. Руководитель группы доктор Джун М. КВАК и его коллеги из Центра исследований старения растений Института фундаментальных наук (IBS) определили новый кальциевый канал и выяснили, как он регулирует закрытие устьиц. Это открытие, опубликованное в Cell Reports, помогает понять, как растения поддерживают и регулируют адекватный уровень внутриклеточного кальция для своего роста и дыхания.
Дефицит кальция у людей может привести к ослаблению волос, ногтей, остеопорозу и другим серьезным симптомам, кальций также необходим растениям. Например, вершинная гниль - это заболевание томатов, арбузов, перца чили и т. д., вызванное недостаточным содержанием кальция в почве. В растениях кальций участвует в нескольких функциях, включая рост, дифференциацию и соблюдение суточных ритмов.
Ученые IBS сосредоточили внимание на роли кальция в открытии и закрытии устьиц. Они обнаружили, что на концентрацию кальция внутри замыкающих клеток, окружающих поры устьиц, влияют белки, называемые гомологами глутаматных рецепторов (GLR), в частности GLR3.1 и GLR3.5. GLR получили свое название, потому что они структурно подобны рецепторам глутамата животных, которые активируются нейротрансмиттером глутаматом и играют роль в обучении и памяти. Команда обнаружила, что GLR3.1 и GLR3.5 образуют кальциевые каналы в плазматической мембране замыкающих клеток.
Исследователи IBS получили растения Arabidopsis thaliana, лишенные белков GLR3.1 и GLR3.5, и обнаружили, что при выращивании в среде с концентрацией кальция на 95% ниже, чем в обычной почве, эти растения имеют желтые отмирающие соцветия, похожие на вершинная гниль. «Эти кончики соцветий имеют клетки, которые быстро растут и делятся, поэтому им нужно много кальция. Однако клетки растений довольно эгоистичны в отношении кальция, и они не делятся им с другими клетками, если им его не хватает», - объясняет Квак.
Используя аэкворин, белок, который чувствует кальций и излучает свет разного цвета в зависимости от концентрации кальция, ученые IBS обнаружили, что мутантные растения с дефицитом GLR3.1/GLR3.5 имеют на 25% более низкую концентрацию внутриклеточного кальция. Затем они использовали электрофизиологические методы, чтобы убедиться, что GLR3.1/GLR3.5 каналов активируются аминокислотой L-метионином.
Результаты серии дальнейших экспериментов показали, что L-метионин открывает кальциевые каналы GLR 3.1/3.5 и позволяет ионам кальция проникать в клетку. Повышение уровня внутриклеточного кальция, в свою очередь, активирует другие мембранные каналы, такие как кальциевые каналы, активируемые активными формами кислорода (АФК), что приводит к закрытию устьиц.
"В будущем мы хотели бы понять источник L-метионина, какой тип клеток обеспечивает его замыкающими клетками и в ответ на какие стимулы", - объясняет Квак.