На основании того, что мы знаем сегодня, растительный гормон ауксин влияет на все аспекты роста и развития растений. Он заставляет кукурузу процветать от всходов до сбора урожая, заставляет деревья расти ввысь, а финиковые пальмы приносить сладкие плоды. Это делает ауксин важным фактором создания растительной биомассы на нашей планете. Об этом уже свидетельствует его название, которое происходит от греческого auxánō, что означает «я расту».
По этой причине исследователи из области сельского и лесного хозяйства веками пытались понять работу этого гормона роста и использовать свои выводы для научных приложений. Несмотря на то, что химическая структура ауксина была определена еще в 1930-х годах, до сих пор до конца не выяснено, как гормон попадает в клетки-мишени и проявляет там свое действие. В поисках ответов на эти вопросы биофизик профессор Райнер Хедрих и другие исследователи растений из Вюрцбурга добились крупного прорыва. Свои результаты они представляют в свежем номере научного журнала Nature Communications.
Микроэлектроды проливают свет на транспортный механизм
С химической точки зрения ауксин является сравнительно простым веществом. Называемая индол-3-уксусной кислотой, или сокращенно IAA, на техническом языке она является производным триптофана, ароматической аминокислоты. Растения вырабатывают гормон, например, в верхушке побега, а затем направляют его в клетки-мишени, включая клетки корня.
«В нашем последнем исследовании мы тщательно изучили клетки корневых волосков, развитие которых основано на росте полярных клеток и зависит от импорта ауксина», - описывает Райнер Хедрих исходную ситуацию команды Вюрцбурга. Джулиан Диндас, аспирант кафедры Хедрича, использовал микроэлектроды, которые регистрируют электрическое напряжение клеточной мембраны корневого волоска, так называемый мембранный потенциал, для изучения ранних реакций клетки на импульс гормона.
Помощь из Фрайбурга и Ноттингема
Он обнаружил, что мембранный потенциал деполяризуется в зависимости от концентрации ИУК и продолжительности применения. Это означает, что отрицательно заряженная индолуксусная кислота запускает процесс, в результате которого положительно заряженные ионы попадают внутрь клетки. Этот процесс был тем более выражен, чем больше положительных ионов находилось снаружи клетки. «Это предполагает, что отрицательно заряженная молекула гормона индолуксусной кислоты поглощается клетками корневых волосков вместе с избыточным количеством положительных ионов», - говорит Хедрич.
Этот результат измерения автоматически поднял следующий вопрос: какой транспортер в клеточной мембране отвечает за это? На этот вопрос быстро ответили после консультации с генетиками ауксинов профессором Клаусом Пальме из Фрайбурга и профессором Малкольмом Беннеттом из Ноттингема: любая деполяризация корневых волосков, опосредованная IAA», - вспоминает Хедрич.
Новый сигнальный путь для «старого» гормона
Кроме того, этот мутант также не показал временного повышения уровня клеточного кальция, которое обычно наблюдается после индуцированной ИУК деполяризации. «Это было доказательством того, что реакция корневых волосков на ауксин сложна и, возможно, является результатом сигнальной цепи», - объясняет ученый-растениевод.
На самом деле, изучение дополнительных мутантов ауксина показало, что задействованы как специальный рецепторный комплекс, так и кальциевый канал. Если в этом триплете, состоящем из переносчика ауксина, рецептора или кальциевого канала, отсутствовал один компонент, клеточный ответ отсутствовал. «Мы пришли к выводу, что IAA в клетке побуждает рецептор открывать кальциевый канал, тем самым инструктируя клетку приспосабливаться к клеточному делению и удлинению в соответствии с гормональным сигналом», - объясняет Хедрич.
Сигнал пересекает корень
Путем микроинъекции ИУК непосредственно в корневые волоски Джулиан Диндас также продемонстрировал, что клетка, обработанная ауксином, делает больше, чем просто посылает кальциевый сигнал. Скорее, он приводит в движение самоусиливающуюся кальциевую волну. Исследование под флуоресцентным микроскопом показало, что эта кальциевая волна достигает кончика корня уже через несколько минут.
Здесь расположена не только ниша стволовых клеток корня, на кончике корня расположены сенсоры для ауксин-зависимого роста растения на основе гравитации. Это становится очевидным при взгляде на поваленные ветром деревья. «Со временем деревья успевают снова укорениться в почве и заново выпрямить побег», - говорит Хедрих. Это то, что делает этот вопрос особенно интересным для ученых, потому что «этот центр управления решает судьбу дифференцирующихся клеток и, следовательно, судьбу корневой архитектуры».
Ученым известно, что различная концентрация ауксина в клетках и окружающей их среде играет ключевую роль в этих процессах дифференцировки. Однако ранее этот аспект рассматривался в большей степени на фоне воздействия гормона на регуляцию генов, по мнению ученых из Вюрцбурга. Напротив, физиологическая роль сигнального пути ауксина в сигнальной мембране была в значительной степени неизвестна.
«Наши исследования показывают, что локальные сигналы ауксина могут передаваться на большие расстояния с помощью кальциевых волн, чтобы генерировать сигнал ауксина также в клетках-мишенях, расположенных далеко», - говорит Хедрич. Планируются дальнейшие эксперименты, чтобы определить, как это достигается на молекулярном уровне и как белки «ауксиновой сигналосомы», идентифицированные исследователями из Вюрцбурга, вмешиваются в этот сценарий.