Многие процессы, происходящие в растениях, не отличаются от человеческих: клетки и ткани зерновых растений, в том числе кукурузы, также общаются посредством электрических сигналов. Форма и частота этих сигналов говорят растению о разных вещах. Например, это позволяет им реагировать на жару и холод, чрезмерную интенсивность света или насекомых-вредителей.
Если, например, гусеница начинает грызть листья дикого растения, на еще не повреждённые листья посылается электрический сигнал, запускающий ответный механизм: горькие или ядовитые вещества впоследствии производится по всему растению, в результате чего гусеница перестает есть или через некоторое время убивает его. Но способность производить горькие вещества была выведена из современных культур по причинам вкуса. Поэтому химические пестициды опрыскивают полевые культуры, чтобы избавить их от вредителей-гусениц.
Исследователи из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия, пролили новый свет на связь между растениями с помощью электрических сигналов. Они выяснили, что ионный канал TPC1 способствует возбудимости растений. Функция этого канала ранее была неизвестна. Это открытие может проложить путь к выведению растений, более устойчивых к вредителям, жаре или засухе в долгосрочной перспективе, что имеет решающее значение в условиях изменения климата..
Публикация в Nature Communications
Ученые JMU во главе с биофизиком профессором Райнером Хедрихом представили свои выводы в журнале Nature Communications. Именно Хедрих открыл ионный канал TPC1 в середине 1980-х годов, когда он был постдоком у лауреата Нобелевской премии Эрвина Неера в Геттингене. За эти годы он досконально изучил канал и описал практически все его свойства.
Новая статья Хедрича заполняет еще один пробел в знаниях. Уже было известно, что клеточные мембраны растений возбудимы; ученые теперь доказали, что это также относится к мембране, которая окружает центральную вакуоль растительных клеток, и TPC1 играет здесь ключевую роль. Вакуоль представляет собой замкнутое пространство, заполненное водным раствором, который может занимать до 90 процентов объема растительной клетки. Его основное предназначение - кладовая для хранения питательных веществ.
Электрический сигнал одновременно с кальциевой волной
Как развиваются электрические сигналы в мембране вакуоли? При повреждении листа в поврежденном листе в дополнение к электрическому сигналу запускается кальциевая волна. «Эти два сигнала усиливают друг друга, что позволяет сигналу распространяться по всему заводу», - объясняет Инго Дрейер, профессор Университета Талька в Чили и сотрудник Hedrich.
В растениях с дефектным TPC1 кальциевая волна распространяется медленнее или вообще не распространяется. «Это открытие привело нас к изучению свойств вакуолей с использованием техники патч-клэмп», - говорит Хедрич. Оказалось, что вакуоли, лишенные TPC1, не могут быть возбуждены ни электрическим зарядом, ни кальциевой подпиткой. Однако у гиперактивного мутанта TPC1 возбуждение сохранялось. «Эта техника и другие анализы позволили нам математически смоделировать поведение вакуолей и предсказать неизвестные свойства каналов вакуолей», - говорит Дрейер.
Исследование структуры и функционирования ионного канала
«Наше открытие также представляет интерес для медицинских исследований», - говорит Хедрич. Это связано с тем, что родственники канала TPC1 также были идентифицированы у людей. Но до конца еще не известно, какую роль этот канал играет в мельчайших мембранных везикулах, эндосомах наших клеток. Поэтому медицинские исследователи также ищут общие черты в структуре и функции TPC1 у растений и человека.
"Чтобы дать ответы, американские ученые провели рентгеноструктурный анализ для наших измерений пэтч-кламп, чтобы определить молекулярную схему, лежащую в основе функции канала. Это делает TPC1 одним из наиболее изученных, зависящих от напряжения ионных каналов", Говорит профессор JMU.
TPC1 состоит из двух идентичных субъединиц. Когда они собираются в пару, создается комплекс, в центре которого есть ионный канал, реагирующий на напряжение и ионы кальция. На цитоплазматическом конце TPC1 есть кальциевый рецептор для активации канала и еще один рецептор внутри вакуоли. Если внутренняя концентрация кальция становится слишком высокой, канал блокируется, и вакуоль теряет свою возбудимость.
TPC1 в эволюции и изменении климата
«Мы также задались вопросом, когда у растений впервые появились кальций-зависимые функции TPC1», - говорит Хедрич. Очевидно, мхи были первыми, кто это сделал.«Теперь мы стремимся выяснить, отвечает ли TPC1 также за возбудимость у ранних предков наших сельскохозяйственных культур и способна ли имплантация TPC1 водоросли или мха излечить функциональную недостаточность у мутантов современных сельскохозяйственных растений».
Более того, исследователи обнаружили, что существуют семейства растений, представители которых демонстрируют значительные различия в развитии функций отдельных каналов. Теперь они хотят понять причину этих различий на молекулярном уровне. Более того, они намерены проверить, облегчают ли незначительные различия адаптацию растений к стрессу.