Аминокислота контролирует дыхание растений

Растения дышат и «потеют» через устьица — микроскопические поры на листьях, стеблях и других органах. Через устьица растения поглощают углекислый газ для фотосинтеза и выделяют продукты этого процесса — кислород и водяной пар. Группа под руководством доктора Джун М. Квака из Центра исследований старения растений Института фундаментальных наук (IBS) идентифицировала новый кальциевый канал и выяснила, как он регулирует закрытие устьиц. Открытие, опубликованное в Cell Reports, помогает прояснить, как растения поддерживают и регулируют адекватный уровень внутриклеточного кальция для роста и дыхания.

Кальций необходим и растениям. Например, вершинная гниль — заболевание томатов, арбузов, перца чили и других культур, вызванное недостатком кальция в почве. Ученые IBS сосредоточились на роли кальция в открытии и закрытии устьиц. Они обнаружили, что концентрация кальция внутри замыкающих клеток, окружающих устьичные поры, зависит от белков, называемых гомологами глутаматных рецепторов (GLR), в частности GLR3.1 и GLR3.5. Команда выяснила, что GLR3.1 и GLR3.5 образуют кальциевые каналы в плазматической мембране замыкающих клеток.

Исследователи создали растения Arabidopsis thaliana, лишенные белков GLR3.1 и GLR3.5, и обнаружили, что при выращивании в среде с концентрацией кальция на 95% ниже, чем в обычной почве, у этих растений появляются желтеющие и отмирающие соцветия, похожие на симптомы вершинной гнили. «Эти кончики соцветий содержат клетки, которые быстро растут и делятся, поэтому им нужно много кальция. Однако клетки растений довольно эгоистичны в отношении кальция и не делятся им с другими клетками, если его недостаточно», — объясняет Квак.

Используя экворин — белок, чувствительный к кальцию и испускающий свет разного цвета в зависимости от его концентрации, ученые установили, что у мутантных растений с дефицитом GLR3.1/GLR3.5 концентрация внутриклеточного кальция на 25% ниже. Затем с помощью электрофизиологических методов они подтвердили, что каналы GLR3.1/GLR3.5 активируются аминокислотой L-метионином.

Результаты дальнейших экспериментов показали, что L-метионин открывает кальциевые каналы GLR3.1/3.5 и позволяет ионам кальция войти в клетку. Повышение уровня внутриклеточного кальция, в свою очередь, активирует другие мембранные каналы, например, кальциевые каналы, активируемые активными формами кислорода (ROS), что приводит к закрытию устьиц.

«В будущем мы хотели бы понять источник L-метионина: какие типы клеток поставляют его для замыкающих клеток и в ответ на какие стимулы», — говорит Квак.