Венериная мухоловка (Dionaea muscipula) - хищное растение. Ловя свою добычу, в основном насекомых, с помощью структуры-ловушки, образованной его листьями, железы растений выделяют фермент для разложения добычи и поглощения высвобождаемых питательных веществ.
Хотя эти секреторные процессы были постулированы со времен новаторских исследований Дарвина, они до сих пор не измерялись и не анализировались: Международная группа исследователей во главе с Райнером Хедрихом, биофизиком из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия, представить результаты в журнале PNAS.
Когда жертва пытается вырваться из закрытой ловушки, она неизбежно касается сенсорных волосков внутри. Любой механический контакт с волосками вызывает электрический сигнал, который распространяется по ловушке волнами. По третьему сигналу растение вырабатывает гормон жасмонат; после пятого сигнала активизируются пищеварительные железы, которые выстилают внутреннюю часть ловушек, как дерн.
Железы выделяют кислотные пузырьки для разложения добычи
Что дальше происходит в клетках железы? Они все чаще образуют перепончатые пузырьки, наполненные жидкостью (секреторные пузырьки), и выделяют свое содержимое. Это происходит после механической стимуляции чувствительных волосков, а также при контакте желез с гормоном жасмонатом. Весь процесс зависит от кальция и контролируется рядом специфических белков.
Более того, в железах активируются гены: «Мы предполагаем, что они обеспечивают загрузку пузырьков протонами и хлоридом, то есть соляной кислотой», - объясняет Хедрих и добавляет: «Мы использовали ионочувствительные электроды для измерить, что повторное прикосновение к чувствительным волоскам вызывает приток ионов кальция в железу. Повышение уровня кальция в цитоплазме вызывает слияние везикул с плазматической мембраной, подобно секреции нейромедиаторов нейронов. За притоком кальция следует отток протонов и хлорида с временной задержкой».
Убедительный анализ с электродами из углеродного волокна
Что еще содержат пузырьки железы? Это было проанализировано с использованием электродов из углеродного волокна в сотрудничестве с Эрвином Неэром (Геттинген), лауреатом Нобелевской премии, который имеет большой опыт работы с этой техникой. Вместе с Неэром исследователь JMU Зёнке Шерцер адаптировал метод измерения к условиям внутри Венериновой мухоловки.
Команда разместила электрод из углеродного волокна над поверхностью железы и с волнением ждала, что произойдет. «Сначала мы были разочарованы, потому что не смогли сразу обнаружить сигналы секреторных клеток человека и животных», - вспоминает Шерцер.
Должна ли везикула содержать соляную кислоту в первые часы после поимки добычи, но пока нет пищеварительных ферментов? А молекул, обеспечивающих работу ферментов в кислой среде, еще нет? Завод должен сначала произвести все это?
Именно так это и работает: молекулярный биолог Инес Фукс выяснила, что растение начинает вырабатывать ферменты, разлагающие добычу, только через несколько часов. Первые характерные сигналы появились через шесть часов, а через сутки процесс пошел полным ходом. На этом этапе ловушка полностью кислая и богата пищеварительными ферментами.
Стабилизирующий эффект глутатиона поддерживает ферменты в форме
Профессор Хайнц Ренненберг (Фрайбург) также обнаружил глутатион (GSH) в секретируемом ферменте. Эта молекула поддерживает работу ферментов в кислой среде венериной мухоловки.
Процессы, описанные выше, происходят в том же хронологическом порядке как при стимуляции чувствительных волосков, так и при воздействии на ловушку только гормона жасмоната. «Прикосновение очень быстро запускает сигнальный путь жасмоната, но требуется время, чтобы пузырьки образовались и нагрузились надлежащим грузом, чему способствует гормон», - объясняет Хедрич.
Кальций является обязательным ингредиентом
Как венериная мухоловка наполняет свой «зеленый желудок» нужной смесью и расщепляет добычу на питательные вещества, можно визуализировать с помощью магнитно-резонансной томографии. За эту задачу отвечал Эберхард Мунц из центра MRT физического факультета JMU.
Его эксперименты также показали, что когда приток кальция в железы блокируется, ловушка остается сухой. «Поэтому кальциевая активация клеток железы имеет решающее значение», - говорит Хедрич. «Итак, теперь мы более подробно рассмотрим биологию кальциевых каналов венериной мухоловки. Мы также хотим исследовать механизм, который подсчитывает сигналы, передаваемые сенсорными волосками в железе, и переводит их в биологию, зависящую от жасмоната».