Раскрыта роль ионного канала TPC1 в электрической коммуникации растений

Клетки и ткани растений, включая кукурузу, общаются с помощью электрических сигналов. Их форма и частота передают разную информацию, например, сигнализируя о реакции на жару, холод, избыточный свет или насекомых-вредителей.

Исследователи из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге (Германия) выяснили, что ионный канал TPC1 вносит ключевой вклад в возбудимость растений. Ранее его функция была неизвестна. Это открытие может в долгосрочной перспективе помочь в выведении растений, более устойчивых к вредителям, жаре или засухе, что критически важно в условиях изменения климата.

Результаты исследования, проведённого под руководством биофизика профессора Райнера Хедриха, опубликованы в журнале Nature Communications.

Возбудимость вакуолярной мембраны

Учёные доказали, что свойством возбудимости обладает не только клеточная мембрана растений, но и мембрана, окружающая центральную вакуоль клеток. TPC1 играет в этом ключевую роль. Вакуоль — это замкнутый компартмент, заполненный водным раствором, который может занимать до 90% объёма растительной клетки и служит хранилищем питательных веществ.

Электрический сигнал и кальциевая волна

При повреждении листа, помимо электрического сигнала, в травмированном листе запускается кальциевая волна. «Два сигнала взаимно усиливают друг друга, позволяя сигналу распространяться по всему растению», — поясняет профессор ИнгоДрейер из Университета Тальки (Чили).

У растений с дефектным TPC1 кальциевая волна распространяется медленнее или вообще не возникает. Используя метод patch clamp, исследователи обнаружили, что вакуоли, лишённые TPC1, невозможно возбудить ни электрическим зарядом, ни повышением кальция. В то же время у гиперактивной мутации TPC1 возбуждение поддерживалось. Это позволило математически смоделировать поведение вакуоли и предсказать ранее неизвестные свойства её каналов.

Структура и функция ионного канала

TPC1 состоит из двух идентичных субъединиц. При сборке они образуют комплекс с ионным каналом в центре, который реагирует на напряжение и ионы кальция. Канал активируется кальциевым рецептором на цитоплазматическом конце TPC1 и блокируется другим рецептором внутри вакуоли при слишком высокой внутренней концентрации кальция.

Открытие представляет интерес и для медицинских исследований, поскольку родственные каналы TPC1 обнаружены и у человека, в мембранных везикулах — эндосомах.

TPC1 в эволюции и адаптации к климату

Кальций-зависимые функции TPC1 впервые появились у мхов. Теперь учёные намерены выяснить, ответственен ли TPC1 за возбудимость у ранних предков культурных растений, и может ли имплантация TPC1 из водорослей или мхов восстановить функцию у мутантов современных сельскохозяйственных культур.

Кроме того, обнаружено, что у представителей разных семейств растений развитие отдельных функций канала значительно различается. Исследователи планируют изучить причины этих различий на молекулярном уровне и проверить, способствуют ли незначительные различия адаптации растений к стрессу.