Расшифровка сигнальных путей растений с помощью «оптогенетического» табака
Исследовательские группы из Вюрцбургского университета использовали новые «оптогенетические» растения табака, чтобы изучить, как растения обрабатывают внешние сигналы.
Для реакции на атаки хищников, патогенов или изменения условий окружающей среды растения используют различные стратегии. Роль внутриклеточной концентрации кальция в обработке таких сигналов давно известна. Также предполагалось, что в передаче сигналов участвуют изменения мембранного потенциала клетки. Группы из Института нейрофизиологии, фармацевтической биологии и ботаники JMU детально исследовали взаимосвязь кальция и мембранного потенциала. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Светочувствительные каналы для целевых манипуляций
В исследовании использовались растения табака, несущие ионные каналы, которые можно целенаправленно активировать светом. Речь идёт о канальных родопсинах — светоактивируемых ионных каналах, открытие которых более 20 лет назад положило начало успеху оптогенетики. С их помощью учёные экспериментально исследовали, что является решающим для реакции растения на стресс: приток ионов кальция или деполяризация клеточной мембраны, опосредованная оттоком анионов.
Оптогенетика с родопсинами
Использование канальных родопсинов в исследованиях растений стало возможным благодаря тесному сотрудничеству группы профессора Георга Нагеля (Институт физиологии JMU) и исследователей растений из Вюрцбурга.
В 2021 году команда Георга Нагеля совместно с доктором Каем Конрадом опубликовала подход по оптимизации использования канальных родопсинов в растениях, преодолев три основные трудности:
- Ретинал: Все родопсины, включая канальные, для поглощения света требуют малой молекулы ретинала (витамина А). Наземные растения не содержат ретинал, но имеют много бета-каротина (провитамина А). Доктору Шицяну Гао впервые удалось совместить экспрессию канальных родопсинов с производством ретинала из бета-каротина в клетках растений.
- Световая активация: Большинство родопсинов активируются синим или зелёным светом, который является компонентом белого света. Чтобы избежать нежелательной активации, трансгенные растения табака выращивали в специальных камерах только под красным светодиодным светом, пригодным для фотосинтеза. Табак развивался здоровым и неизменным по сравнению с условиями теплицы.
- Экспрессия канальных родопсинов: В 2021 году учёным из Вюрцбурга удалось экспрессировать в клетках табака светоактивируемый анионный канал GtACR1. Затем группа Георга Нагеля разработала канальные родопсины, оптимизированные для проницаемости ионов кальция. Доктора Гао и Шан Ян из группы Нагеля создали хорошо проводящий кальций канальный родопсин XXM 2.0 для целевой экспрессии в растениях табака.
Это стал прорывом: успешная экспрессия канальных родопсинов с разной ионной селективностью в клетках растений позволила сравнивать различные ионные сигналы параллельно с электрическим сигналом (деполяризацией).
Новая эра в исследованиях растений
Созданные «оптогенетические» растения табака позволили выяснить, что является решающим для реакции растения на конкретную стрессовую ситуацию: приток кальция или деполяризация мембраны.
Результаты были чёткими:
- Активация анионного канала (GtACR1): Вызывала увядание листьев и типичную реакцию на засуху — выработку растительного гормона абсцизовой кислоты (ABA) и усиление экспрессии генов для защиты от высыхания.
- Активация кальциевого канала (XXM 2.0): Не приводила к изменению уровня ABA. Вместо этого растения производили сигнальные молекулы и растительные гормоны для запуска защитных механизмов против хищников, что было заметно по белым пятнам на листьях. Доктору Сёнке Шерцеру удалось прямыми измерениями показать, что при этом высвобождаются активные формы кислорода (ROS).
Учёные убеждены, что это исследование — лишь начало новой эры в изучении растений. Теперь сигнальные пути растений можно лучше «осветить» с помощью различных родопсинов.