17.09.2018

Растения, как и животные, используют глутамат для быстрой передачи сигналов по организму

Глутамат является важнейшим нейромедиатором у всех животных, обладающих нервной системой. Хотя у растений нет нервной системы, они тоже способны передавать информацию от одних частей организма к другим при помощи электрических и химических сигналов, природа которых еще не до конца расшифрована. Японские и американские биологи показали, что глутамат играет ключевую роль в передаче сигнала от поврежденных листьев к неповрежденным у модельного растения Arabidopsis thaliana. Глутамат взаимодействует с глутаматными рецепторами, похожими на те, что используются в нервной системе животных. Это приводит к поступлению ионов Ca²⁺ в цитоплазму и к активации генов, обеспечивающих защитную реакцию растения. Открытие стало возможным благодаря новым методам визуализации, позволяющим отслеживать в реальном времени колебания концентраций кальция и глутамата в разных клетках и органах растения.

Глутамат не только является главным возбуждающим нейромедиатором нашего мозга. Он выполняет функцию нейромедиатора у всех без исключения животных, обладающих нервной системой, включая даже гребневиков, чья нервная система, скорее всего, возникла независимо от таковой остальных животных. Глутамат, насколько нам известно, является единственным нейромедиатором, общим для гребневиков и прочих животных. Более того, даже не имеющие нервной системы губки используют глутамат для обмена сигналами между клетками. Все это говорит то ли о большой древности сигнальной функции глутамата, то ли о том, что глутамат и разнообразные глутаматные рецепторы (см. Glutamate receptor) по каким-то причинам очень удобны для передачи сигналов от клетки к клетке и в ходе эволюции неоднократно «привлекались» для выполнения подобных задач.

Новое открытие японских и американских биологов, результаты которого опубликованы в свежем выпуске журнала Science, показало, что растения тоже используют глутамат и глутаматные рецепторы для быстрой передачи информации от одних частей организма к другим.

Хотя у растений нет нервной системы, информация о повреждении какой-либо части растения передается другим его частям при помощи электрических сигналов, отдаленно напоминающих потенциалы действия. В клетках, получивших такой сигнал, включаются гены, обеспечивающие защитную реакцию, в том числе гены ферментов, необходимых для синтеза жасмонатов — растительных гормонов, играющих важную роль в защите от насекомых-фитофагов. Растения не могут ни убежать, ни спрятаться от своих врагов. Но немного обезопасить себя они все-таки могут, перенаправив часть своих ресурсов на регенерацию поврежденных тканей и производство отпугивающих или токсичных веществ.

О том, как возникают и распространяются растительные «потенциалы действия», известно немного. Было показано, что они связаны с деполяризацией клеточных мембран (как и в нейронах животных), а значит, с транспортом каких-то ионов через мембрану; что распространяются они по проводящим пучкам. Кроме того, удалось показать, что для распространения этих сигналов необходимы определенные белки семейства GLR (Glutamate receptor-like), а именно GLR3.3 и GLR3.6, по своей структуре похожие на ионотропные глутаматные рецепторы животных (S. A. R. Mousavi et al., 2013. GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE genes mediate leaf-to-leaf wound signalling). Ионотропные рецепторы локализуются на клеточной мембране и, соединяясь со своим лигандом (в данном случае глутаматом), открывают ионные каналы, позволяя тем или иным ионам проходить через мембрану. Впрочем, до сих пор не было прямых доказательств того, что растительные белки GLR3.3 и GLR3.6 действительно являются ионотропными глутаматными рецепторами (а не просто похожи на них по структуре). Не было также и фактов, показывающих, что глутамат как-то задействован в передаче сигналов между удаленными частями растения.

Открытие стало возможным благодаря новым высокотехнологичным методам наблюдения за колебаниями концентраций различных веществ в растительных клетках и тканях. Для начала ученые проследили за изменениями внутриклеточных концентраций ионов Ca²⁺ в ответ на механическое повреждение листьев (рис. 1). Для этого использовали генетически модифицированные растения Arabidopsis thaliana, в геном которых был добавлен ген белка GCaMP, специально разработанного для решения подобных задач. Этот белок флуоресцирует в присутствии ионов кальция.

Выяснилось, что внутриклеточная концентрация кальция подскакивает в поврежденном участке листа уже через 2 секунды, а затем в течение 1–2 минут реакция распространяется на другие листья. Волна повышенной концентрации внутриклеточного кальция идет вдоль проводящих пучков, поэтому флуоресцировать начинают в первую очередь жилки, чуть позже — прилегающая к ним паренхима (рис. 1, справа). Дополнительные эксперименты показали, что роль главного «проводящего пути», скорее всего, играет флоэма, а по паренхиме сигнал распространяется через плазмодесмы. Реакция растений на поедание листа гусеницей и на его отрезание ножницами одинакова: значит, всё дело в механическом повреждении, а не в каких-то веществах, выделяемых растительноядным насекомым. Разные листья по-разному реагируют на повреждение другого листочка: например, если повредить лист № 1 (самый старый, появившийся первым в процессе роста), то лист № 6 отреагирует на это сильно, а лист № 5 — почти никак (на рис. 1, B соответствующие листья обозначены как L1, L5 и L6). Это связано со структурой сети проводящих пучков, формирующейся в ходе развития: некоторые листья имеют практически единую проводящую систему, у других проводящие пучки сильнее изолированы друг от друга.

Волна повышенной внутриклеточной концентрации кальция движется от листа к листу со средней скоростью около миллиметра в секунду (на несколько порядков медленнее, чем нервный импульс у животных). С такой же скоростью распространяется и электрический сигнал — волна деполяризации клеточных мембран. В клетках, получивших сигнал, активируется экспрессия «защитных» генов и растет концентрация жасмонатов. Если черешок поврежденного листа предварительно обработать ингибитором кальциевых каналов (эти каналы блокируются ионами лантана, La³⁺), то сигнал из поврежденного листа не попадает в другие листья, и защитная реакция в них не включается. Таким образом, эксперименты подтвердили роль кальция и кальциевых каналов в распространении растительных «потенциалов действия».

Исходя из имеющихся фактов, логично было предположить, что в роли кальциевых каналов в данном случае выступают упомянутые выше белки GLR3.3 и GLR3.6. Действительно, оказалось, что у растений с отключенными генами GLR3.3 и GLR3.6 никакие «кальциевые волны» от поврежденных листьев не распространяются. Однако всё приходит в норму, если снова включить один из этих генов (а лучше — оба сразу). Кроме того, выяснилось, что GLR3.3 экспрессируется во флоэме листьев, а GLR3.6 — в «контактных» клетках паренхимы, прилегающих к сосудам. Это, возможно, указывает на несколько разные роли двух генов в проведении сигнала, хотя любого из них достаточно, чтобы сигнал, пусть и ослабленный, распространялся вдоль проводящих пучков.

Как уже говорилось, GLR3.3 и GLR3.6 похожи по своей структуре на ионотропные глутаматные рецепторы, однако экспериментально их функция не была подтверждена. Теперь, когда стало ясно, что они действительно «ионотропные» (пропускают ионы кальция в цитоплазму), осталось убедиться, что они «глутаматные», то есть реагируют на внеклеточный глутамат.

Оказалось, что введение глутамата в межклеточное пространство листа (апопласт) вызывает точно такой же ответ (в виде волны повышенной внутриклеточной концентрации кальция и включения защитных генов), как и механическое повреждение листа (рис. 2). Другие протеиногенные аминоксилоты такого эффекта не дают (авторы проверили все 19). У растений с отключенными генами GLR3.3 и GLR3.6 глутамат не вызывает «кальциевого» ответа. Всё это отлично согласуется с идеей о том, что GLR3.3 и GLR3.6 действительно являются ионотропными глутаматными рецепторами, играющими ключевую роль в создании и распространении растительных «потенциалов действия».

Чтобы проследить за тем, как меняется концентрация внеклеточного глутамата при повреждении листа, авторы использовали искусственный белок iGluSnFR, флуоресцирующий в присутствии глутамата. Оказалось, что концентрация внеклеточного глутамата быстро (в течение нескольких секунд) повышается в ближайших окрестностях поврежденного участка примерно в 50 раз (а при сильных повреждениях — еще сильнее). Затем волна повышенной концентрации глутамата распространяется по листовой пластинке, следуя вдоль жилок. Что при этом проиcходит с глутаматом в других (неповрежденных) листьях, в статье не сказано. Также осталось не до конца ясным, ограничивается ли дело вытеканием глутамата из цитоплазмы разрушенных клеток, или в окрестностях раны происходит также и активное выделение глутамата неповрежденными клетками (второй вариант, судя по косвенным признакам, более вероятен).

Нельзя сказать, что данная статья расставила все точки над i в вопросе о природе растительных «потенциалов действия». Нерешенных вопросов еще много. Тем не менее, исследование четко показало, что растения, как и животные, используют глутамат и ионотропные глутаматные рецепторы для быстрой передачи сигналов между удаленными частями организма. Это не могло быть унаследовано от общего предка, потому что последний общий предок растений и животных не был многоклеточным. Перед нами, таким образом, яркий пример конвергентной эволюции.

Подготовлено по материалам: Masatsugu Toyota, Dirk Spencer, Satoe Sawai-Toyota, Wang Jiaqi, Tong Zhang, Abraham J. Koo, Gregg A. Howe, Simon Gilroy. Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense // Science. 2018. V. 361. P. 1112–1115. DOI: 10.1126/science.aat7744.

См. также: Нейробиология растений: нервные импульсы без нервной системы (популярный синопсис статьи С. С. Пятыгина Сравнительная характеристика потенциалов действия у животных и высших растений // Журнал Общей Биологии. 2008. Т. 69. № 1. С. 72–77).

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru