Механизм восприятия механической силы в растительных клетках находится в неожиданном месте
Микроскопические каналы в клеточной мембране помогают клеткам воспринимать и реагировать на механические силы, такие как давление или прикосновение. Новое исследование в журнале Science — одно из первых, напрямую изучающих функцию одного из типов таких механочувствительных ионных каналов в клетках с апикальным ростом у мха и пыльцевых трубках цветковых растений.
Биологи под руководством Элизабет Хасвелл из Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили, что так называемые PIEZO-каналы у растительных клеток находятся не вдоль плазматической мембраны, как у животных клеток.
Вместо этого они наблюдали, что PIEZO-каналы «отступили» внутрь растительной клетки — неожиданное открытие. PIEZO-каналы обнаружены глубже в клетке, в мембранах вакуолей — крупных внутриклеточных органелл, которые помогают поддерживать тургор клетки и выполняют ряд других функций.
«PIEZO-каналы в растениях играют драматическую и критическую роль в регуляции формы вакуоли и количества её мембраны», — сказала Хасвелл.
«Это первый пример участия PIEZO-каналов в регуляции морфологии органелл», — отметила она. «Представленные данные могут привести к новым направлениям исследований как для растительных, так и для животных гомологов PIEZO».
Как следует из названия, механочувствительные ионные каналы — это пути или туннели через клеточные мембраны, реагирующие на механические силы. При определённых воздействиях канал открывается, позволяя ионам проходить через мембрану.
У людей PIEZO-каналы необходимы для жизни; без них развитие клеток останавливается. Они известны своей ролью в восприятии лёгкого прикосновения, сдвигающей и сжимающей силы. Дисфункция этих каналов связана с несколькими человеческими заболеваниями.
PIEZO-каналы были впервые идентифицированы в геномах растений в 2010 году. После десятилетия исследований на животных гомологах эта новая работа сосредоточена на растительных клетках и изучает их отличия от животных. Другие исследовательские группы недавно показали, что PIEZO-каналы участвуют в механическом восприятии в корнях растений.
Исследователи сделали свои первоначальные открытия, используя клетки с апикальным ростом у нетипичного модельного растения — мха Physcomitrium patens.
Но учёные смогли распространить свои выводы за пределы мха на клетки других эволюционно далёких растений, включая пыльцевые трубки классической модели — цветкового растения Arabidopsis thaliana.
«Когда мы можем показать, что одно и то же происходит как у мха, так и у цветкового растения, как мы сделали здесь, наиболее вероятный вывод заключается в том, что этот процесс является предковым — он как минимум такой же древний, как и сами наземные растения», — сказал первый автор статьи Иван Радин, отметив, что растения колонизировали Землю около полумиллиарда лет назад.
Следующим шагом в этом исследовании станут эксперименты, демонстрирующие, как внешние и внутренние силы напрямую влияют на PIEZO-каналы в клетках мха.
«Растительные PIEZO-каналы, вероятно, контролируются натяжением мембраны у растений так же, как и у животных», — сказала Хасвелл. Учёные также исследуют эволюцию этих каналов у водорослей.
Теперь, когда известно, где находятся PIEZO-каналы в клетке, команда Хасвелл стремится выяснить, что эти белки делают в вакуолях. Они изучают, как активация PIEZO-канала приводит к разрастанию мембраны и как это регулируется, а также планируют сравнить структуру и функцию с животными каналами и у организмов по всей зелёной линии жизни.