Как растения адаптируются: Кальциевые волны помогают корням сообщать побегам

Исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне во главе с профессором ботаники Саймоном Гилроем впервые визуализировали, как волна кальция распространяется от корней к побегам растения. Это прямое доказательство роли кальция в быстрой межклеточной коммуникации растений, о чём долго подозревали, но не могли зафиксировать. Результаты опубликованы 24 марта 2014 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ключевое открытие

Учёные использовали кальциевый сенсор, который меняет свечение (флуоресценцию) с зелёного на красное в присутствии кальция (FRET). Когда к кончику корня растения применили стресс — высокую концентрацию хлорида натрия (NaCl), — это вызвало волну красного сигнала, которая быстро распространилась от корня к верхушке растения.

• Скорость: Волна перемещалась со скоростью около 8 клеток в секунду (миллисекундный масштаб), что слишком быстро для простой диффузии соли.
• Генетический ответ: В течение 10 минут после воздействия соли у растения активировались типичные гены стрессового ответа.

Роль белка TPC1

Особую роль в этом процессе играет белковый канал TPC1 (two pore channel 1):

• В течение 1–2 минут после стресса количество "строительных блоков" для создания этого канала увеличилось в 10 раз.
• У растений с дефектом TPC1 кальциевая волна двигалась примерно в 25 раз медленнее.
• У растений с повышенной экспрессией TPC1 волна двигалась в 1.7 раза быстрее.
• Растения с большим количеством каналов TPC1 также вырастали крупнее и содержали больше хлорофилла при выращивании в солёной воде.

Неожиданный вывод

Белок TPC1 присутствует во всех наземных растениях и находится по всему растению. Однако кальциевая волна распространяется только через специфические типы клеток, подобно тому, как электрические сигналы движутся по нервным клеткам у животных. Это указывает на специализацию клеток в передаче сигналов.

Значение и перспективы

Открытие имеет значение для понимания того, как растения адаптируются к изменяющейся среде, например, к засолению или засухе. Это может помочь в создании более устойчивых сельскохозяйственных культур.

Сейчас лаборатория Гилроя изучает молекулярную структуру канала TPC1, чтобы понять, как работают его части. "Мы слышим крик [сигнал], — говорит Гилрой. — Теперь мы пытаемся увидеть, что делают голосовые связки".