Растения экономят энергию при поглощении калия
Растения способны извлекать даже мельчайшие следы важного питательного вещества — калия — из почвы. Как им это удаётся, описывает в Nature Communications команда под руководством вюрцбургского биофизика Райнера Хедриха.
Калий — один из питательных веществ, необходимых растениям в больших количествах. Однако его содержание в почве может сильно различаться: в бедных калием почвах этого элемента может быть в тысячу раз меньше, чем в богатых. Чтобы гибко реагировать на эти различия, растения выработали механизмы, позволяющие адаптировать поглощение калия к конкретным почвенным условиям.
Как и клетки человеческого тела, растительные клетки работают с рабочей концентрацией калия около 100 миллимоляр. Если корни находят источник калия со значительно более низкой концентрацией или лишь его следы, они могут поглотить калий в свои клетки только за счёт затрат энергии. Это достигается взаимодействием калиевого ионного канала AKT1 и калиевого транспортера HAK5.
Исследование важно для селекции растений
«Хотя HAK5 известен с конца 1990-х годов, его транспортный механизм до сих пор оставался в значительной степени неизвестным», — говорит профессор Райнер Хедрих из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана (JMU) в Баварии, Германия.
Команда под руководством вюрцбургского биофизика теперь проясняет этот механизм. «Знания об этом важны, когда речь идёт о выведении сельскохозяйственных культур, которые также дают урожай на неудобренных или слабо удобренных полях, то есть могут обходиться меньшим количеством удобрений», — говорит Хедрих.
В своих экспериментах вюрцбургская исследовательская группа под руководством первых авторов Тобиаса Майерхофера и Зёнке Шерцера использовала свой обширный опыт работы с калиевым каналом AKT1.
Создание pH-градиента требует энергии
Для того чтобы канал AKT1 транспортировал калий в клетки, требуются более высокие концентрации калия в почве. В качестве источника энергии достаточно нормального электрического поля клеточной мембраны. Транспортер HAK5, напротив, работает уже при низком уровне калия в почве. Помимо электрического поля, ему требуется энергия градиента pH. Растение должно создавать этот градиент через клеточные мембраны, и это требует затрат энергии.
Дальнейшие эксперименты показали, что транспортер калия HAK5 и калиевый канал AKT1 энергосберегающим образом взаимодействуют при колебаниях концентрации калия в почве.
Транспортер должен иметь сенсор калия
При высоких концентрациях энергозатратный транспортер HAK5 отключается. Это означает, что транспортер должен иметь сенсор калия. В поисках этого сенсора франкфуртский структурный биолог Инга Хенельт и её вюрцбургский коллега Томас Мюллер добились прогресса: они нашли мутантную версию транспортера, у которой сродство к калию в 100 раз ниже.
«Теперь важно более детально изучить молекулярные реакции, которые запускает эта мутация», — описывает следующие цели исследований Райнер Хедрих. Он также хочет выяснить, как транспорт калия в корневую клетку механически и энергетически связан с транспортом протонов.