Новая модель коммуникации в растительных клетках
Растительные клетки имеют неожиданное сходство с животными нейронами: многие из них содержат белки, напоминающие глутаматные рецепторы, которые передают нервные сигналы. Хотя у растений нет нервной системы, предыдущие исследования показали, что им необходимы эти глутамат-рецептор-подобные белки (GLRs) для важных процессов: размножения, роста и защиты от болезней и вредителей.
Исследование под руководством учёных из Университета Мэриленда предлагает новую модель функционирования GLRs в растительных клетках. Работая с пыльцевыми клетками Arabidopsis thaliana, исследователи обнаружили, что GLRs формируют основу сложной коммуникационной сети внутри отдельных клеток. Их данные также указывают, что GLRs зависят от другой группы белков — корнишонов (cornichon), которые транспортируют GLRs в разные части клетки и регулируют их активность.
С помощью белков-корнишонов GLRs действуют как клапаны, тщательно регулирующие концентрацию ионов кальция — ключевого элемента многих клеточных сигнальных путей — внутри различных структур клетки. Исследование, которое может стать основой для новых работ по межклеточной коммуникации как у растений, так и у животных, опубликовано на обложке журнала Science от 4 мая 2018 года. В работе участвовали учёные из Института Гульбенкяна (Португалия) и Национального автономного университета Мексики.
«Концентрация кальция — один из важнейших параметров внутри всех клеток. Она так хорошо регулируется, что позволяет клеткам кодировать информацию. Иными словами, кальций — это lingua franca клеточной коммуникации», — отметил Хосе Фейжо, профессор клеточной биологии и молекулярной генетики Университета Мэриленда и старший автор исследования. — «Наши результаты показывают, что GLRs играют роль в этой базовой системе коммуникации у растений, и мы также предлагаем механизм её работы».
Сходство между GLRs и животными глутаматными рецепторами указывает на их общее происхождение от одноклеточного организма — предка растений и животных. Однако Фейжо отметил важные различия:
- Глутамат — основной нейромедиатор человеческого мозга — не играет существенной роли в растительной системе.
- В то время как глутаматные рецепторы расположены на внешней поверхности нейронов, эксперименты Фейжо показали, что GLRs могут находиться на различных структурах внутри растительных клеток.
«Это единственный способ последовательно объяснить наши результаты», — сказал Фейжо. — «Наши данные говорят о том, что GLRs действительно распределены по другим компартментам внутри растительных клеток, формируя сложную сеть, которая совместно регулирует концентрацию кальция и обеспечивает кальциевую сигнализацию. Это новое понимание, открывающее совершенно новые пути для изучения кальциевой сигнализации у растений».
Фейжо и Майкл Вудик, ведущий автор статьи, предположили, что растительные клетки используют специфический механизм для контроля локализации GLRs. Это привело Вудика к изучению белков-корнишонов, которые связаны с активностью глутаматных рецепторов у животных.
В экспериментах с пыльцевыми клетками Arabidopsis команда обнаружила, что белки-корнишоны активно транспортируют GLRs из одной части клетки в другую, позволяя различным её компартментам поддерживать разную концентрацию ионов кальция. Корнишоны также действуют как привратники для GLRs, включая и выключая молекулы рецепторов, подобно клапану, в ответ на изменения условий внутри клетки.
В целом, результаты команды предполагают модель клеточной коммуникации у растений, не имеющую аналогов у животных. Если животные нейроны используют глутаматные рецепторы для передачи сигналов между клетками, то растения, по мнению Фейжо, зависят от стратегий коммуникации, работающих на уровне отдельной клетки.
«Зачем растениям рецепторы, похожие на те, что заставляют работать нейроны? Наши результаты поддерживают идею, что отдельные растительные клетки обладают уровнем автономии, которого нет у животных клеток», — пояснил Фейжо. — «Каждая растительная клетка имеет, например, свою собственную иммунную систему. И у них больше каналов коммуникации, чтобы справляться с тем, что они «привязаны» к месту. У каждого цветкового растения больше GLRs, чем у животных глутаматных рецепторов. Наша предложенная модель клеточной коммуникации предлагает одно из объяснений этого изобилия GLRs».
Дальнейший прогресс в расшифровке коммуникации растений может привести к созданию надёжных тестов для диагностики болезней, дефицита питательных веществ и других проблем. Это может помочь обеспечить продовольственную безопасность в условиях изменения климата и других стрессоров для сельскохозяйственных культур.
Фейжо также отметил, что более глубокое понимание GLRs может раскрыть новые аспекты работы животных глутаматных рецепторов и их дефектов, которые могут быть причиной некоторых нейродегенеративных состояний.
«Некоторые исследователи предполагают, что нейродегенерация вызвана сверхактивными глутаматными рецепторами. Это не окончательно, но некоторые состояния у людей и собак были связаны с мутациями в генах этих рецепторов», — сказал Фейжо. — «Возможно, наша модель может помочь в исследовании этих состояний. Преимущество в том, что наш протокол очень прост в использовании».
Исследование: «CORNICHON sorting and regulation of GLR channels underlie pollen tube Ca2+ homeostasis», Michael Wudick, Maria Teresa Portes, Erwan Michard, Paul Rosas-Santiago, Michael Lizzio, Custódio Oliveira Nunes, Cláudia Campos, Daniel Santa Cruz Damineli, Joana Carvalho, Pedro Lima, Omar Pantoja and José Feijó, опубликовано в журнале Science 4 мая 2018 года.