Визуализация в реальном времени коммуникации растений через летучие вещества
Растения выделяют летучие органические соединения (VOCs) в атмосферу при механических повреждениях или атаках насекомых. Неповреждённые растения-соседи воспринимают эти VOCs как сигналы опасности и активируют защитные реакции. Это явление воздушной коммуникации было впервые задокументировано в 1983 году и с тех пор наблюдается у более чем 30 видов растений. Однако молекулярные механизмы восприятия VOCs оставались неясными.
Исследовательская группа под руководством профессора Масацугу Тойоты (Университет Сайтамы, Япония) визуализировала эту коммуникацию в реальном времени и раскрыла, как растения поглощают VOCs, инициируя Ca2+-зависимые защитные реакции.
Новаторское исследование опубликовано в Nature Communications. Работу возглавили аспирант Юри Аратани и постдок Такуя Уэмура из лаборатории Тойоты в сотрудничестве с профессором Кенджи Мацуи из Университета Ямагути.
«Мы создали установку для подачи VOCs, выделяемых растениями, повреждёнными гусеницами, на неповреждённые растения-соседи, и объединили её с системой флуоресцентной визуализации в реальном времени», — говорит Тойота.
Эта установка позволила визуализировать вспышки флуоресценции, распространяющиеся в растениях Arabidopsis thaliana после воздействия VOCs от повреждённых насекомыми растений. Растения были модифицированы для экспрессии флуоресцентных белковых сенсоров внутриклеточного Ca2+, что позволило отслеживать изменения его концентрации.
«Помимо атак насекомых, VOCs, выделяемые из раздавленных вручную листьев, также индуцировали Ca2+ сигналы у неповреждённых соседних растений», — отмечает Тойота.
Ключевые летучие вещества и механизм
Для идентификации VOCs, индуцирующих Ca2+ сигналы, команда протестировала различные известные соединения. Было обнаружено, что два шестиуглеродных альдегида, (Z)-3-гексенал (Z-3-HAL) и (E)-2-гексенал (E-2-HAL), вызывают Ca2+ сигналы у Arabidopsis. Эти вещества с травянистым запахом известны как зеленые листовые летучие (GLVs), выделяемые при механических и травоядных повреждениях.
Экспозиция Arabidopsis к Z-3-HAL и E-2-HAL привела к повышению экспрессии защитных генов. Обработка растений ингибитором кальциевых каналов LaCl3 и хелатирующим агентом EGTA подавила как Ca2+ сигналы, так и индукцию защитных генов. Это доказало, что восприятие GLVs и активация защитных реакций у Arabidopsis происходят Ca2+-зависимым образом.
Устьица: ворота для восприятия
Учёные определили, какие именно клетки генерируют Ca2+ сигналы в ответ на GLVs, создав трансгенные растения с экспрессией флуоресцентных сенсоров только в замыкающих, мезофильных или эпидермальных клетках.
При воздействии Z-3-HAL Ca2+ сигналы возникали в замыкающих клетках примерно в течение 1 минуты, затем в клетках мезофилла, тогда как в эпидермальных клетках они появлялись медленнее. Замыкающие клетки образуют устьица — поры, соединяющие внутренние ткани с атмосферой.
«У растений нет "носа", но устьица служат воротами, опосредующими быстрое проникновение GLVs в межклеточные пространства листовых тканей», — объясняет Тойота.
Команда обнаружила, что предварительная обработка абсцизовой кислотой (ABA), фитогормоном, вызывающим закрытие устьиц, снижала Ca2+ ответы. Мутанты с нарушенным ABA-индуцированным закрытием устьиц сохраняли нормальные Ca2+ сигналы даже при обработке ABA.
«Мы наконец раскрыли сложную историю о том, когда, где и как растения реагируют на воздушные "предупреждающие сообщения" от своих находящихся под угрозой соседей. Эта невидимая сеть коммуникации играет ключевую роль в своевременной защите растений от imminent threats», — заключает он.
Это исследование не только углубляет понимание удивительного мира растений, но и подчёркивает замечательные способы, которыми природа снабдила их для выживания и адаптации.