Исследователи показали, где и как растения обнаруживают дефицит калия

Немецкие и китайские учёные впервые показали, где и как растения обнаруживают дефицит калия в корнях, и какие сигнальные пути координируют адаптацию роста корней и поглощения калия для поддержания снабжения растений этим элементом. Результаты опубликованы в Developmental Cell.

Наблюдения противоречат учебникам

Исследователи изучали растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), трансформированные новым калиевым репортёрным белком GEPII. Он позволяет микроскопически детектировать концентрацию и распределение ионов калия в клетках и тканях. Даже при отсутствии дефицита калия команда сделала неожиданное открытие: концентрация этого питательного вещества в цитоплазме клеток увеличивалась с каждым слоем клеток в корне — снаружи внутрь.

«Эти наблюдения действительно удивительны. Они противоречат учебникам, согласно которым питательные вещества передаются равномерно, снаружи внутрь, к сосудистой ткани корня — не только от клетки к клетке, но и через межклеточные пространства», — говорит профессор Йорг Кудла из Института биологии растений и биотехнологии Мюнстерского университета.

«Калий-чувствительная ниша» реагирует на дефицит калия

При изучении реакции корней на дефицит калия было впервые показано, что при недостатке калия его концентрация снижается только в определённых клетках кончика корня. Эти «постмеристематические клетки», расположенные непосредственно над живыми стволовыми клетками в кончике корня, реагируют чрезвычайно быстро: концентрация калия в цитоплазме снижается в течение секунд. Ранее не было известно, что определённая группа клеток, расположенная центрально внутри кончика корня, реагирует на дефицит калия в окружающей среде. Исследователи назвали эту группу клеток «калий-чувствительной нишей».

«Если растения лишены калия, только клетки в калий-чувствительной нише показывают реакцию; концентрация калия в других клетках корня остаётся неизменной. Ранее предполагалось, что естественным образом первыми отреагируют клетки самого внешнего слоя — эпидермиса», — отмечает Кудла.

Визуализация пути калия

Одновременно со снижением концентрации калия в калий-чувствительной нише в этих клетках возникают и распространяются в корне кальциевые сигналы. Как вещество-мессенджер, кальций контролирует многие процессы в живых организмах. Кальциевые сигналы запускают сложную молекулярную сигнальную каскадную реакцию. Эта цепь сигналов, впервые детально определённая исследователями, в конечном итоге вызывает не только увеличение образования калиевых транспортных белков, но и приводит к изменениям в дифференцировке тканей корня. Это облегчает более эффективное поглощение ионов калия и поддерживает его распределение в растении.

«Впервые с помощью методов визуализации мы показали путь калия в живом организме», — говорит Кудла.

Результаты дают фундаментальное представление о том, где растения обнаруживают доступность необходимого питательного вещества калия и как адаптируются к ней. Понимание этих процессов в будущем может помочь в выведении более совершенных растений для сельскохозяйственных целей и более целенаправленном использовании удобрений.

Методология

Для визуализации распределения калия в корнях растений использовались специальные микроскопические методы (например, резонансный перенос энергии Фёрстера, FRET) в сочетании с сенсорными белками для калия, кальция и пероксида водорода. Для изучения молекулярных механизмов были созданы и сравнены трансгенные растения Arabidopsis, которые из-за различных генетических мутаций демонстрировали симптомы дефицита калия. Для идентификации и характеристики белков и механизмов, участвующих в передаче калиевых и кальциевых сигналов, использовались разнообразные генетические, молекулярно-биологические и биохимические методы.