Оптогенетический метод показывает, что клетки-стражи растений могут "считать" стимулы для адаптации потребления воды

Растения контролируют потребление воды через регулируемые поры (устьица), которые образованы парами замыкающих клеток (клеток-стражей). Они открывают устьица при достаточном водоснабжении и свете для фиксации CO₂ в процессе фотосинтеза. В темноте и при отсутствии воды они инициируют закрытие пор.

Ключевую роль в регуляции устьиц играют анионные каналы типа SLAC/SLAH в замыкающих клетках. Это показала группа профессора Райнера Хедриха, биофизика из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге (Германия).

Эти канионы активируются кальциевыми сигналами, которые, в свою очередь, вызываются внешними стимулами: нехваткой воды и питательных веществ, засолением почвы или заражением патогенами. Кальциевые сигналы (или "кальциевые сигнатуры") различаются в зависимости от стимула. Частая сигнатура — "кальциевый транзиент", быстрое временное повышение концентрации кальция в клетках.

Кальциевый транзиент подчиняется закону "всё или ничего"

Чтобы выяснить, сколько информации содержит кальциевый транзиент, команда Хедриха использовала оптогенетический метод на новых модельных растениях, оснащённых светоактивируемыми кальциевыми каналами. Световыми импульсами можно генерировать кальциевые сигналы в клетках-стражах и анализировать клеточный ответ.

Импульсы света длительностью 0,1, 1 и 10 секунд вызывали почти идентичные кальциевые транзиенты. Концентрация кальция в клетках-стражах повышалась в течение 30 секунд после стимула, а затем снижалась в следующие 30 секунд.

Учёные предположили, что этот феномен "всё или ничего" возникает потому, что приток кальция извне вызывает высвобождение дополнительного кальция из внутриклеточных хранилищ, оптимально усиливая сигнал. Когда они заблокировали хранение кальция в эндоплазматическом ретикулуме клетки, кальциевый транзиент и последующая реакция не происходили.

Анионный ток следует за кальциевым сигналом с задержкой

Световые импульсы разной длины вызывали анионные токи схожей формы и силы. Токи следовали за кальциевым сигналом с задержкой: они нарастали только после того, как концентрация кальция в цитозоле превышала пороговое значение.

После прекращения кальциевого транзиента анионный ток всё ещё регистрировался в течение последующих 30 секунд. Это отставание электрического сигнала связано с биологией ферментов, которые обрабатывают кальциевый сигнал и соответственно включают или выключают анионные каналы. Стало ясно, что приток кальция длительностью 0,1 секунды усиливается в клетке таким образом, что запускается последующая реакция, длящаяся более чем в сто раз дольше.

Клетки-стражи могут "считать" до шести

Сколько кальциевых транзиентов необходимо для закрытия устьиц? Исследователи подвергали клетки-стражи световому импульсу длительностью 0,1 секунды каждые полминуты и наблюдали за устьицами.

• После первого импульса ширина поры уменьшилась на 10%.
• После трёх стимулов — на 30%.
• После шести стимулов — на 80%.
• После 12 и более стимулов — на 100%.

Это показывает, что клетки-стражи могут разрешать шесть последовательных кальциевых транзиентов и преобразовывать их в движение устьиц. "Клетки-стражи, следовательно, могут считать до шести", — говорит Хедрих. Удвоение частоты стимуляции не ускоряло закрытие, а её уменьшение вдвое — замедляло движение устьиц.

Дальнейшие исследования будут направлены на поиск этапа в цепи "стимул-реакция", который зависит от частоты кальциевого транзиента и определяет скорость. Также учёных интересует, как клетки-стражи декодируют кальциевые сигналы и преобразуют их в зависящую от "счёта" ферментативную активацию своих анионных каналов. Кроме того, предстоит выяснить, как долго клетки-стражи "помнят" соответствующие кальциевые сигналы.