Оптогенетический контроль электрического возбуждения в растениях с помощью синего света
Международная исследовательская группа под руководством учёных из Вюрцбурга Райнера Хедриха, Георга Нагеля и Дирка Беккера впервые применила метод оптогенетики к высшим растениям. Теперь световые импульсы можно использовать для запуска электрического возбуждения в растениях.
"Впервые с помощью этого инструмента мы можем неинвазивно исследовать на молекулярном уровне клеточные пути коммуникации, основанные на электрических сигналах, и понять, как растения используют эти сигналы для реакции на экстремальные перепады температур, травоядных животных или другие стрессовые факторы", — говорит Дирк Беккер.
При стрессе растения испускают распространяющиеся на большие расстояния электрические сигналы, известные как волны мембранного потенциала. Так растения способны быстро и точно передавать информацию, несмотря на отсутствие мозга и нервных клеток. Молекулярные механизмы этого процесса в основном неизвестны. Новые данные о нём представлены в журнале PNAS.
Инструменты из водорослей для мембранной биологии
Задача состояла в том, чтобы смоделировать электрический сигнал, обычно вызываемый стрессом, без побочных реакций. Команда решила её с помощью оптогенетики.
Этот метод, доступный с 2002 года, позволяет контролировать электрическую активность нервных клеток световыми импульсами, если предварительно встроить в их мембраны светочувствительные ионные каналы водорослей — каналродопсины.
Стресс приводит к деполяризации и закислению
Высшие растения в ходе эволюции утратили светочувствительные ионные каналы водорослей. Исследователям удалось вернуть гены каналродопсинов в геном модельного растения Arabidopsis thaliana. Теперь клетки его листьев можно специфически возбуждать светом и анализировать электрический ответ мембраны.
При стрессе раздражённые клетки деполяризуются, а среда вокруг них закисляется. Чтобы смоделировать оба процесса, учёные использовали вариант каналродопсина, который активируется синим светом и проводит протоны в клетку.
В норме клеточная стенка растительной клетки как минимум на одну единицу pH кислее, чем её внутренняя среда. При открытии протонного канала протоны (положительные заряды) неизбежно текут через мембрану внутрь клетки. Это деполяризует мембрану и закисляет цитоплазму.
Деполяризацию можно контролировать синим светом
В эксперименте синий лазер направляли на исследуемый участок листа и регистрировали мембранный потенциал стимулированных клеток.
"Мы контролировали интенсивность, длительность и частоту импульсов синего света, чтобы управлять формой деполяризации мембраны, и детально анализировали ответную реакцию реполяризации растительной клетки", — объясняет Дирк Беккер.
Оказалось, что в клетках листа реполяризацию в основном вызывает АТФ-зависимая протонная помпа плазматической мембраны, чувствительная к потенциалу. При деполяризации мембраны эта помпа переходит в состояние повышенной активности, выкачивая больше положительно заряженных протонов из клетки, что и реполяризует мембрану.
Этот механизм фундаментально отличается от такового в нервных клетках животных, где процесс управляется потенциал-зависимыми калиевыми каналами. Исследователи показали, что мутант Arabidopsis без калиевого канала ведёт себя при синем свете как обычное растение.
Каналродопсины на все случаи
"В настоящее время мы тестируем другие оптогенетические инструменты такого рода", — говорит Райнер Хедрих.
Цель — не только выяснить детали клеточной коммуникации через электрические сигналы, но и понять значение одновременно происходящих в растениях кальциевых волн и pH-сигналов.
Чтобы понять общие характеристики растительных клеток и их специфические особенности, исследователи планируют вводить каналродопсины в клетки с широким спектром функций. Также они намерены использовать варианты каналродопсинов с определённой ионной селективностью, чтобы пролить свет на сложные пути коммуникации растений.