Как растения ощущают прикосновение, гравитацию и другие физические силы
В основе способности растений ощущать прикосновение, гравитацию или опору лежат механочувствительные каналы — поры в плазматической мембране клеток, которые открываются и закрываются при её деформации. Элизабет Хасвелл, доктор философии, биолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, изучает роль этих каналов у растений Arabidopsis thaliana, выращивая мутантные растения, лишённые одного или нескольких из 10 возможных канальных белков у этого вида.
Растения явно реагируют на физические стимулы: корни растут вниз, «стыдливая мимоза» складывает листья, а лиана обвивается вокруг опоры. Но механизмы этих реакций только начинают изучать.
Открытие в бактериях
В 1980-х годах исследования бактериальных клеток показали, что у них есть механочувствительные каналы. Когда клетка разбухает от воды и мембрана растягивается, эти крошечные поры открываются, позволяя заряженным ионам и другим молекулам вырваться наружу. Вода следует за ионами, клетка сжимается, мембрана расслабляется, и поры закрываются.
Гены, кодирующие семь таких каналов, найдены у бактерии Escherichia coli, и 10 — у Arabidopsis thaliana. Оба организма служат модельными в лаборатории Хасвелл.
Три типа активности каналов
Исследования на гигантских сферопластах E. coli (клетках с удалённой стенкой) выявили три разных типа активности, которые открываются только при деформации мембраны:
Механочувствительный канал большого проводимости (MscL)
Механочувствительный канал малого проводимости (MscS)
Механочувствительный канал мини-проводимости (MscM)
Они отличаются порогом напряжения для открытия и величиной проводимости. Гены MscL и MscS были клонированы в 1994 и 1999 годах соответственно.
Функция: Бактерии, лишённые генов MscL и MscS, не выживают при осмотическом стрессе (резком переносе из солёной среды в пресную воду). Каналы позволяют клетке быстро сбросить ионы, чтобы избежать неконтролируемого притока воды и разрыва. Считается, что каналы с меньшей проводимостью (MscS, MscM) открываются первыми, а MscL — только при сильном стрессе, что обеспечивает градуированный ответ и лучший шанс на выживание.
Определение структуры белков
Определить структуру мембранных белков MscL и MscS с помощью рентгеновской кристаллографии было крайне сложно из-за их двойной природы (гидрофильные и гидрофобные участки). Белки приходилось кристаллизовать в среде с «тщательно подобранными детергентами».
- Первым был кристаллизован MscL из бактерии, вызывающей туберкулёз (лаборатория Дугласа Риса).
- MscS из E. coli был кристаллизован в 2002 году, а его мутантная форма в предположительно открытом состоянии — в 2008.
Гомологи в растениях
В начале 2000-х учёные обнаружили гомологи (схожие последовательности) бактериальных каналов в геномах многоклеточных организмов, включая растения. У Arabidopsis thaliana найдено 10 гомологов MscS и ни одного гомолога MscL.
Важно: Эти гомологи находятся не только в плазматической мембране, но и в мембранах хлоропластов и митохондрий, что указывает на их разнообразные функции, выходящие за рамки осморегуляции.
Исследования на мутантах Arabidopsis
Изучая мутантные растения Arabidopsis с «выключенными» генами каналов, Хасвелл обнаружила, что два из десяти каналов контролируют размер и правильное деление хлоропластов, а также форму листьев. Мутанты имеют гигантские, неправильно поделившиеся хлоропласты.
- Оказалось, что бактерии, лишённые MscS и MscL, также делятся неправильно. Это показывает, что связь между этими каналами и делением клеток эволюционно консервативна.
Перспективы и сложность
Хасвелл полагает, что текущее понимание каналов основано на MscS — «упрощённой» форме. Некоторые члены этого семейства белков имеют длинные выступы за пределы мембраны, что может означать их интеграцию в клеточные сигнальные пути (например, ответ на осмотический стресс).
Пример: У E. coli есть канал, родственный MscS, с большим внеклеточным доменом, который делает его чувствительным к калию. Это механочувствительный канал, который открывается только в присутствии калия, что указывает на неисследованные регуляторные функции.
Быстрые движения растений, такие как складывание листьев мимозы (Mimosa pudica), вероятно, запускаются электрическим импульсом и потерей тургора в клетках. Механочувствительные каналы являются отличными кандидатами на роль сенсоров, запускающих эту реакцию.