Расшифровка биохимической коммуникации растений
Исследователи из Университета Пердью начали расшифровку сложного молекулярного языка петуний. Их «грамматика» и «словарь» скрыты в бесчисленных белках и других соединениях клеток цветов.
Растения, будучи прикреплены к почве, не могут убежать от насекомых, патогенов или других угроз. Однако давно известно, что они предупреждают друг друга с помощью летучих органических соединений (ЛОС).
«Они используют летучие вещества, потому что не могут говорить», — говорит Наталия Дударева, профессор биохимии и ландшафтной архитектуры в Пердью. «Растения информируют соседей об атаках патогенов. Это похоже на иммунизацию. В обычных условиях вы не видите изменений в растении-реципиенте. Но как только оно заражается, оно реагирует гораздо быстрее. Оно подготовлено».
Учёные знали об этом «иммунизирующем» праймировании, но до недавнего времени не могли изучать процесс — не было маркера, подтверждающего обнаружение ЛОС.
Дударева и 13 соавторов описывают новые детали процесса детекции в журнале Science. В команду вошли исследователи из Пердью, Университета Жана Моне Сент-Этьена (Франция) и Калифорнийского университета в Дэвисе.
О рецепторах растений к летучим веществам известно мало. Хотя они есть и у млекопитающих с насекомыми, принципы восприятия слишком различны.
В 2019 году в Nature Chemical Biology Дударева и коллеги открыли новый физиологический процесс — «естественную фумигацию». Исследование показало, что трубки цветка производят ЛОС для стерилизации рыльца пестика (части, собирающей пыльцу) от патогенов.
«На рыльце, особенно у петуний, много сахаров. Без этих летучих веществ бактерии будут прекрасно расти», — поясняет Дударева. «Но если рыльце не получает ЛОС из трубки, оно также меньше по размеру. Это была межорганная коммуникация. Теперь у нас был хороший маркер — размер рыльца — для изучения процесса».
«Вы можете видеть устойчивый тренд», — говорит ведущий автор статьи в Science Шэннон Стирлинг, аспирант по ландшафтной архитектуре в Пердью. «Когда посмотришь на достаточно рылец, видно небольшое различие в размере».
Фотометрические измерения показали статистические различия в размере рыльца при воздействии ЛОС. В сочетании с генетическими манипуляциями это неожиданно выявило ключевую роль карикин-подобного сигнального пути в клеточной коммуникации петуний.
«Карикины не производятся растениями. Они образуются при горении, а наши растения никогда не подвергались воздействию дыма или огня», — отмечает Стирлинг.
Команда также подтвердила важность этого пути для обнаружения летучих сесквитерпенов, которые многие растения используют для общения.
Удивительно, но идентифицированный рецептор карикина показал способность избирательно воспринимать сигнал от одного типа сесквитерпенового соединения, но не от его зеркального отображения — свойство, называемое стереоспецифичностью.
«Растение производит много разных ЛОС и подвергается воздействию множества других. Поразительно, насколько селективен и специфичен этот рецептор исключительно к сигналу из трубок», — говорит соавтор Мэтью Бергман, постдок в области биохимии. «Такая специфичность гарантирует отсутствие ложных сигналов».
Для исследования Стирлинг освоила трудоёмкий метод временного изменения уровня белков в пестиках петуний для идентификации взаимодействий «сигнал-рецептор». «Пестики и рыльца очень малы. Требуется огромное количество рылец, чтобы получить достаточный образец, потому они почти ничего не весят».
Метод включал инъекцию определённого вида бактерий в рыльце для введения целевых генов с последующей изоляцией полученных белков.
«Манипулировать таким маленьким органом непросто. Но Шэннон смогла аккуратно проколоть рыльце шприцем и внести бактерии с ювелирной точностью», — отмечает Бергман.
Петунии — не только яркие и ароматные цветы, но и плодотворная модельная система для этого исследования. «Они уже доказали свою продуктивность», — заключает Бергман.