Чувствительный датчик кислоты, сигнализирующий клеткам растений о возникшей опасности, и внутриклеточные запасы кальция, используемые в последующей реакции клетки на угрозу, обнаружила исследовательская команда под руководством профессора-биофизика Райнера Хедриха из Вюрцбургского университета им. Юлиуса и Максимилиана (JMU), Германия, 15 декабря сообщает пресс-служба JMU.

Заражение растения болезнетворными микроорганизмами, возникшая нехватка воды или другие внешние раздражители приводят в первые моменты к тому, что в пораженных клетках повышается концентрация протонов и кальция. И уже эти вещества-мессенджеры запускают в клетке необходимые защитные реакции.

Именно эти процессы, ранее не изученные, стали предметом исследования научной группы из Вюрцбурга. Используя оптогенетический подход, исследователи обнаружили в растительных клетках ранее неизвестный сенсор эндогенной кислоты и запас кальция в защитных клетках листьев, который играет важную роль в обработке клеткой протонных сигналов и запуске клеточных реакций.

В ходе эволюции клетки приспособили свой метаболизм к использованию богатых энергией фосфатов. Для этого им пришлось решить проблему: при преимущественно нейтральном значении pH клетки ценные фосфаты могут связываться ионами кальция (Ca²⁺) и превращаться в нерастворимую и, следовательно, непригодную для использования клеткой форму (дигидрофосфат кальция).

Чтобы избежать этого, клетки поддерживают очень низкий уровень внутреннего кальция, однако в окружающей их среде этот показатель в 10 000 раз выше. Вне клеток концентрация протонов (Н⁺) и, следовательно, кислотность также значительно выше. Из-за такого градиента концентрации оба типа ионов стремятся проникнуть в клетки, что делает их идеальными для использования в качестве веществ-мессенджеров.

«Зависимое от стимула открытие кальциевых и протонных каналов в клеточной мембране приводит к временному внутриклеточному увеличению количества обоих ионов-мессенджеров, — поясняет Райнер Хедрих. — Клетки воспринимают это как сигнал, который они переводят в биологическую реакцию с использованием ферментов, связывающих кальций и протоны».

Как растительные клетки реагируют на приток протонов и связанное с этим закисление их клеточной плазмы, ранее исследовать этот процесс было очень трудно, но теперь благодаря соответствующим образом модифицированной учеными резуховидке Таля это стало намного проще.

Команда Хедриха, используя оптогенетические методы, модифицировала Arabidopsis thaliana, внедрив в ее клетки светочувствительный протонный канал гриба (канал родопсина KCR2), что позволило целенаправленно отправлять в ее клетки протоны в ответ на световой импульс.

Кроме того, они экспрессировали KCR2 вместе с генетически кодируемым рН-репортером pHuji. Это позволяет очень легко измерять текущее значение pH в клетке после активации KCR2.

Далее исследователи стали изучать защитные клетки созданного ими мутанта Arabidopsis. «Когда я в течение секунды стимулировал их синим светом, они, как я и ожидал, деполяризовались от активируемого светом протонного канала», — рассказал член команды исследователей Шоугуанг Хуан.

В ходе последующих экспериментов исследователи из Вюрцбурга сделали далеко идущее открытие. Активация KCR2 световой стимуляцией подкисляет клетку, о чем сигнализирует репортер pH pHuji, мембранный потенциал деполяризуется и приводит к повышению уровня кальция в клетке.

«Однако мы были удивлены, когда деполяризация и подкисление продолжались еще добрую минуту после окончания светового импульса, — дополнил рассказ Хедрих. — Это могло означать только то, что световая активация KCR2 и подкисление активировали собственные ионные каналы клеток». Это давно известные анионные каналы защитных клеток SLAC1 и SLAH3, активация которых требует присутствия кальция.

«Принимая во внимание все факты, можно предположить, что протонные токи, переносимые KCR2, и связанное с этим подкисление внутренней части клетки также должны были генерировать сигнал», — резюмировал профессор JMU.

Таким образом, его команде удалось доказать, что за быстрым подкислением защитных клеток следует кальциевый сигнал, который длится от 150 до 200 секунд, причем кальций поступает не извне клетки, а высвобождается из эндогенного хранилища — эндоплазматического ретикулума (сеть мембранных каналов и резервуаров, пронизывающую цитоплазму).

Результаты исследования команда ученых представила в статье «Управляемый светом канал родопсин вызывает протон-индуцированное высвобождение кальция в защитных клетках».

Ученые JMU намерены продолжить исследования, чтобы проанализировать молекулярную природу H⁺-чувствительного кальциевого канала эндоплазматической сети и изучить процессы его включения/выключения, активируемого протонами.

Эти исследования важны для лучшего понимания того, как клетки растений реагируют на внешние раздражители, такие как инфекции или засуха.