Мутантное растение с нарушением счёта

Новый мутант венериной мухоловки с дискалькулией утратил способность считать электрические импульсы. Исследователи из Вюрцбурга выяснили причину дефекта.

Хищная венерина мухоловка (Dionaea muscipula) умеет считать до пяти: это открытие вюрцбургского биофизика профессора Райнера Хедриха вызвало мировой ажиотаж в 2016 году. Но как растение считает?

Команда Хедриха из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана (JMU) в Баварии, Германия, описала ключевой компонент в журнале Current Biology. Исследователи нашли то, что искали, в мутанте венериной мухоловки, утратившем способность к счёту.

Венерина мухоловка считает свою добычу

Венерина мухоловка выживает в бедных питательными веществами болотах Северной и Южной Каролины, потому что мелкие животные входят в её рацион. Для этого хищное растение преобразовало листья в захлопывающиеся ловушки.

Обе половинки ловушки несут по три-четыре сенсорных волоска, которые чувствуют прикосновение даже очень мелких мух, например, комаров. Однако ловушка захлопывается не при первом прикосновении, а только при втором. То есть она должна запомнить прикосновение номер один и молниеносно закрыться на счёт "два".

Ловушки интерпретируют кальциевые сигналы

Но это не всё: если пойманное животное продолжает касаться сенсорных волосков, на третьем, четвёртом и пятом касании постепенно запускается генетически закодированная программа.

В этом процессе синтезируется гормон жасмоновая кислота, ловушка герметично закрывается и образуются пищеварительные секреты для переработки животной пищи. Также активируются транспортные белки, которые позже поглощают питательные вещества, высвобождаемые из добычи, в тело растения.

Каждый раз при касании сенсорных волосков венерина мухоловка генерирует электрический импульс, называемый потенциалом действия, который распространяется по всей ловушке. Потенциал действия запускается кальциевым сигналом и переносится кальциевой волной. "Счёт заключается в измерении отдельных кальциевых всплесков и их учёте для закрытия ловушки и обработки добычи", — объясняет Райнер Хедрих.

Мутант Dyscalculia не умеет считать

На выставке растений доктор Сёнке Шерцер, соавтор публикации в Current Biology, обнаружил венерину мухоловку, которая не закрывается на "два" и не обрабатывает добычу при дальнейших касаниях. "Эта мутантная форма явно разучилась считать, поэтому я назвал её Dyscalculia (DYSC)", — говорит Хедрих.

Чтобы выяснить причину нарушения счёта, команда Хедриха исследовала опосредованный касанием потенциал действия у мутанта. Оказалось, что восприятие прикосновения и связанный с ним потенциал действия не изменились. Следовательно, лежащий в основе потенциала действия кальциевый сигнал также не мог быть затронут мутацией.

Таким образом, подозрение пало на дефект последующих процессов. Исследователи из Вюрцбурга были правы в этом предположении: после введения контактного гормона жасмоновой кислоты дефект быстрого закрытия ловушки не устранялся, но восстанавливалась обработка добычи, которая зависит от жасмоновой кислоты. Дефект DYSC, таким образом, заключался в декодировании кальциевого сигнала.

Проанализированы паттерны экспрессии генов

Здесь в работу включилась доктор Инес Кройцер. Молекулярный биолог и руководитель проекта DYSC искала изменения в паттернах экспрессии генов после тактильной стимуляции у мутанта.

"При этом мы сосредоточились на генах, которые у мутанта больше не активировались правильно при касании", — говорит учёный из JMU. Таким образом, круг можно было сузить до нескольких компонентов, работающих как декодеры в кальциевом сигнальном пути.

Эти потенциальные кальциевые декодеры имеют кальций-связывающие домены. После связывания они модифицируют белки-эффекторы. К ним относится фермент LOX3, важный для биосинтеза жасмоновой кислоты. Ключевым компонентом быстрого закрытия ловушки, не зависящего от жасмоновой кислоты, является активируемый кальцием анионный канал.

Исследователи планируют идентифицировать кальциевые декодеры и их белки-эффекторы. "Чтобы окончательно это выяснить, мы сейчас работаем в двух направлениях", — говорит Хедрих.

Его команда проанализировала геном венериной мухоловки с высоким разрешением, поэтому исследователи могут напрямую искать модификации генов. Во втором подходе они изучают белки, которые модифицируются при контакте с добычей и меняют свою активность. "Таким образом мы хотим замкнуть круг и выяснить, что делает растение, чтобы различать числа, то есть как оно считает".