Растения используют корни для измерения концентрации марганца в почве
Исследователи из Мюнстерского университета впервые на модели растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) продемонстрировали, как растения воспринимают дефицит марганца и какие молекулярные процессы за этим следуют.
Марганец — необходимый элемент для всех живых организмов. У растений он играет ключевую роль, например, в расщеплении воды на кислород и водород при фотосинтезе. Немецкие и китайские учёные впервые показали, как растения ощущают нехватку марганца.
Исследование выявило решающую роль ранее неизвестной группы клеток в корне растения. Эти результаты могут помочь в будущем повысить устойчивость растений к дефициту марганца, который часто встречается в щелочных и известковых почвах.
Дефицит марганца запускает осциллирующие кальциевые сигналы
Команда идентифицировала в корне растения особую группу клеток, названную «марганцево-чувствительной нишей». В ответ на дефицит марганца только эти клетки демонстрируют особую реакцию: концентрация кальция в них многократно повышается и понижается, пока сохраняется дефицит. Каждое колебание длится около 30 минут.
Это первые наблюдаемые в растениях многоклеточные осцилляции концентрации кальция, скоординированные между сотнями клеток. Первыми повышают концентрацию кальция клетки эпидермиса (внешнего слоя корня), затем процесс постепенно затрагивает более внутренние клетки, после чего всё идёт в обратном порядке.
Третья «чувствительная ниша» и молекулярный механизм
Ранее та же группа исследователей обнаружила в корне калиево-чувствительную и натриево-чувствительную ниши, которые также реагировали кальциевыми сигналами на изменение концентрации ионов, но без осцилляций.
В текущем исследовании было показано, что кальциевые осцилляции активируют два специальных фермента — Calcium-Dependent Protein Kinases (CPK21 и CPK23). Эти киназы, в свою очередь, стимулируют поглощение марганца.
Гипотеза учёных: каждое новое колебание кальция заново запускает этот процесс, пока растение не достигнет достаточного уровня поглощения марганца. В процесс вовлечён транспортер марганца NRAMP1. Киназы CPK21 и CPK23 взаимодействуют с этим транспортером и регулируют поглощение марганца, фосфорилируя определённую аминокислоту (Thr498).
Для визуализации кальциевых сигналов исследователи впервые применили высокоразрешающую микроскопию и сверхчувствительные молекулярные кальциевые биосенсоры. Эти методы in vivo были объединены с генетическими, клеточно-биологическими и биохимическими подходами.
В работе участвовали учёные из Мюнстерского университета, Северо-Западного университета A&F, Института биотехнологических исследований Китайской академии сельскохозяйственных наук и Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.