Листья мимозы заставляет двигаться накопление ионов кальция в цитоплазме

Мимоза стыдливая (Mimosa pudica) знаменита тем, что очень быстро складывает свои листья в ответ на прикосновение. Движение обеспечивает листовая подушка, или пульвинус, — раздутое основание листочков, которым они прикрепляются к главному черешку. Это загадочное явление изучается со времен Чарльза Дарвина, однако дальнодействующие сигнальные молекулы, которые запускают быстрые движения листа, остаются неизученными, как и физиологическая роль этого движения. Выдвигались гипотезы, согласно которым сложенный лист выглядит менее заметным, движение пугает растительноядных насекомых или обнажает шипы, но четких подтверждений той или иной гипотезы до сих пор не существует.

Команда под руководством Масацугу Тойоты (Университет Сайтама, Япония) выяснила, какие сигналы передаются на большие расстояния и вызывают быстрые движения Mimosa pudica. Ранее было показано, что мимоза движется медленнее при падении концентрации ионов кальция. Исследователи создали трансгенную мимозу, которая экспрессирует сенсор ионов кальция GCaMP6f; ткани такого растения флуоресцируют в ответ на появление ионов кальция в цитозоле. Наблюдения с помощью флуоресцентного стереомикроскопа позволили увидеть, что движению листьев после прикосновения или повреждения предшествует рост концентрации Ca²⁺ в листовых подушках — листья складываются всего через одну десятую секунды после яркой вспышки в этих участках.

Предыдущие исследования показали, что для быстрых движений листьев мимозы имеют решающее значение электрические сигналы — возникновение потенциал действия, который сменяется деполяризацией. Изменения этих сигналов можно регистрировать с помощью электродов, и авторы делали это одновременно с регистрацией флуоресценции. При повреждении листа подъем концентрации Ca²⁺ и электрические сигналы распространялись с одинаковыми скоростями и проходили через место записи в одно и то же время, что говорит о связи между ними.

В следующих экспериментах авторы обработали листья мимозы ингибиторами кальциевых каналов (ионами лантана La³⁺ и верапамилом) или агентом ЭГТА, связывающим Ca²⁺. Как ингибиторы, так и ЭГТА блокировали флуоресценцию, электрические сигналы и подвижность листьев. Эти данные подтверждают идею о том, что сигнальной молекулой, запускающей быстрое складывание листьев мимозы, является именно Ca²⁺.

С помощью метода редактирования генома CRISPR-Cas9 ученые создала неподвижную мутантную мимозу, лишенную листовых подушек. (Для этого нокаутировали гены транскрипционного фактора, необходимые для их развития.) Оказалось, что неподвижную мимозу активнее едят кузнечики и гусеницы, чем мимозу дикого типа. Такое наблюдение было сделано как для генно-модифицированной мимозы, так и для мимозы, обработанной ингибиторами кальциевых каналов или ЭГТА.

Авторы сняли на видео флуоресценцию (то есть рост концентрации Ca²⁺) и движение листа, который кусает кузнечик. После первого укуса листочки начали складываться по очереди параллельно с распространением сигналов Са²⁺. Кузнечику это не нравилось, он прекращал питание и уходил.

«Наконец-то мы получили доказательства того, что быстрые движения, основанные на распространении Ca²⁺ и электрических сигналов, защищают Mimosa pudica от нападения насекомых, — говорит Тойота. — У растений есть различные коммуникационные системы, которые обычно скрыты от глаз; увидеть — значит поверить».