Растения используют «клетки-первооткрыватели» для предупреждения соседей о бактериальных патогенах

Исследователи из Университета Пердью обнаружили, что подмножество клеток эпидермиса в листьях растений служит ранними респондентами на химические сигналы от бактериальных патогенов и передает эту информацию соседям через локальную бегущую волну ионов кальция. Свойства этой локальной волны отличаются от волн, генерируемых при ранении клеток эпидермиса, что указывает на использование растениями различных механизмов для передачи информации о конкретных типах атаки патогенов. Результаты опубликованы 2 декабря в Science Signaling.

Работа подчеркивает важность паттернов (сигнатур) ионов кальция в цитоплазме клеток. Растения и животные используют ионы кальция для передачи биологически важной сенсорной информации внутри отдельных клеток, через ткани и даже между органами.

«Когда бактерия заражает растительный материал, клетки и ткани распознают присутствие атакующего по химическим и механическим сигналам. Это исследование в основном о том, как воспринимаются химические сигналы», — пояснил руководитель исследования Кристофер Штайгер.

Исследование мотивировано долгосрочными практическими целями: «Мы хотим понять, как работает защита растений, чтобы найти ключевые сигнальные процессы или пути, которые могут помочь разработать новые стратегии контроля заболеваний растений», — отметил соавтор Вэйвэй Чжан.

Кальциевые сигнатуры и локальные волны

Нарастающие данные свидетельствуют, что потоки ионов кальция в цитоплазме создают уникальную «сигнатуру», характеристики которой (количество, амплитуда и частота пиков) зависят от конкретного стимула. Молекулы-эффекторы декодируют эти сигнатуры, запуская соответствующий клеточный ответ.

Хотя было известно, что при обнаружении бактериальной инфекции лист генерирует быструю бегущую кальциевую волну, передающуюся другим листьям (системный ответ), исследователи из Пердью, сосредоточившись на локальном уровне, обнаружили, что не все клетки реагируют одновременно и одинаково. Вместо этого подмножество клеток-«первооткрывателей» генерирует локальную бегущую волну цитозольного кальция, чтобы предупредить небольшую группу соседей об опасности.

«Наше исследование указывает, что существует подмножество клеток, которые инициируют эти локальные волны. Мы количественно охарактеризовали особенности химически индуцированных волн по сравнению с механически индуцированными. Они распространяются по-разному, с разными молекулярными механизмами», — заявил Штайгер.

Математическое моделирование и эксперименты

Междисциплинарная команда EMBRIO объединила экспериментальные данные (Чжан) и математическое моделирование (Нилай Кумар). Модель формально проверила, может ли механизм CICR (calcium-induced calcium release — индуцированное кальцием высвобождение кальция) объяснить волны, распространяющиеся с постоянной низкой скоростью в ответ на патоген-ассоциированные молекулярные паттерны.

«Модель на основе CICR успешно воспроизвела распространение волны с постоянной скоростью, наблюдаемое экспериментально, демонстрируя, что активного процесса достаточно для объяснения этого поведения», — отметил Кумар.

Для экспериментов была разработана специальная система визуализации и количественного анализа кальция в реальном времени в живых клетках, что позволило с высокой точностью измерить его быструю и кратковременную динамику.

Сравнение волн от ранения и химических сигналов

Чжан экспериментально вызвала раневые кальциевые волны, повреждая одну клетку эпидермиса листа сфокусированным лазером. Количественный анализ выявил четкие различия:

• Волны от ранения: Начинаются быстро с высокой амплитудой, затем их скорость и амплитуда затухают со временем и расстоянием («как от брошенного в пруд камешка»).
• Химически индуцированные волны: Распространяются медленно, часто асимметрично, сохраняя почти постоянную скорость по мере удаления от точки происхождения.

«Тщательный количественный анализ как внутриклеточной сигнатуры клеток-инициаторов, так и бегущей волны — важный шаг вперед для этой области», — отметил Штайгер.

Перспективы и гипотезы

Математическое моделирование помогло различить «кальциевый потоп» и «кальциевый фронт волны», у которого есть задний фронт со снижающейся амплитудой. Модель предсказала вероятное существование «стока», удаляющего ионы кальция из цитозоля и ограничивающего расстояние распространения волны.

«Например, работа предполагает, что внутриклеточные пулы кальция могут способствовать затуханию волны, что мы можем экспериментально проверить в будущих исследованиях», — сказал Кумар.