Как ионы кальция попадают в клеточные электростанции растений
Кальций — особый нутриент. В клетках большинства живых существ ионы кальция (Ca2+) действуют как «вторичные мессенджеры», передавая важные сигналы. Это верно для клеток животных, растений и грибов. Учёные из рабочей группы «Биология энергии растений» Мюнстерского университета (проф. Маркус Шварцлендер) и команды проф. Алекса Косты из Миланского университета в сотрудничестве с другими национальными и международными институтами идентифицировали молекулярную машинерию, которая позволяет ионам кальция поступать в митохондрии растительных клеток. Оказалось, что этот транспорт играет важную роль в реакции растений на прикосновение. Исследование опубликовано в журнале The Plant Cell.
Как ионы кальция попадают в митохондрии
С 1965 года известно, что растительные митохондрии могут поглощать ионы кальция и, предположительно, участвовать в кальциевых сигнальных путях. Однако как именно происходит транспорт, десятилетиями оставалось спорным. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для большинства ионов, но специальные белки в мембране могут обеспечивать прохождение ионов кальция, делая мембрану частично проницаемой и позволяя передавать сигналы в этом органоиде.
У животных вопрос о митохондриальном кальциевом канале был решён в 2011 году с открытием канала MCU (mitochondrial calcium uniporter). Это проложило путь к обнаружению, что растения также содержат гены MCU. Однако оставалось неясным, образуют ли эти гены кальциевые каналы в живой клетке, особенно учитывая, что поглощение кальция митохондриями у животных и растений происходит по-разному.
Экспрессия генов показывает важность транспорта ионов кальция для клеточных электростанций
Чтобы выяснить роль MCU в растительных клетках, исследователи из Мюнстера одновременно деактивировали три из шести генов MCU у модельного растения Arabidopsis thaliana. Это ограничило пропускную способность клеточной машинерии. Используя флуоресцентный белок, указывающий на изменения концентрации ионов кальция в митохондриях с помощью светового сигнала, они впервые в живом растении наблюдали последствия этого ограничения.
Было видно, что в результате деактивации генов MCU в митохондрии попадало гораздо меньше ионов кальция. Исследователи не только продемонстрировали, что живые растительные клетки, подобно животным, транспортируют ионы кальция в митохондрии через каналы MCU. «Мы также смогли показать, что это, безусловно, самый важный путь быстрого транспорта ионов кальция в митохондрии. Теперь у нас есть возможность контролировать передачу сигналов кальцием в клеточные электростанции и, возможно, влиять на закодированную информацию», — говорит Маркус Шварцлендер.
Затем команда использовала растения с нарушенной способностью к митохондриальному транспорту кальция, чтобы выяснить, какую роль митохондриальный кальций играет для растения и его жизнеспособности. У животных кальций в митохондриях регулирует производство энергии, но у растений подобной функции обнаружено не было.
Анализ экспрессии всего генома растения показал, что сниженная транспортная способность для ионов кальция влияет на регуляцию растительного гормона жасмоновой кислоты. Жасмоновая кислота — защитный гормон, активирующийся при повреждении растения травоядными. Она также контролирует старение (регулируемое отмирание тканей) и реакции на механические стимулы, такие как прикосновение.
Генетически модифицированные растения демонстрировали слегка замедленное старение: в темноте листья теряли зелёную пигментацию медленнее. Они также проявляли заметно более слабую реакцию на прикосновение. «Нас особенно удивило, что, очевидно, существует связь между транспортом ионов кальция в митохондрии и регуляторным процессом, управляемым жасмоновой кислотой. Результаты показывают, что молекулярные процессы, такие как поглощение кальция митохондриями, консервированные в ходе эволюции у животных и растений, могут использоваться для выполнения новых функций», — отмечает Шварцлендер.
Целенаправленное перепрограммирование митохондриального транспорта кальция представляется интересным направлением, поскольку контроль реакции на прикосновение может быть полезен, например, в сельском хозяйстве, где растения часто высаживают близко друг к другу.
Исследования с использованием синтетических биосенсоров
Одним из ключевых методов в данном исследовании стала «in vivo биосенсорика». Белки конструируются молекулярно-биологическими и биотехнологическими методами так, чтобы служить синтетическими измерительными сенсорами в живых организмах. Генетически трансформированные растения сами производят сенсор, который предоставляет информацию о состоянии клеток in vivo. Эти биологические сенсоры можно использовать для измерений в конкретных компартментах клетки, помещая их туда генетически. Традиционными методами это сделать сложно, так как они обычно требуют разрушения клетки, что приводит к потере внутриклеточной организации.