У венериной мухоловки нашли механосенсор для восприятия прикосновений насекомых

Тактильное чувство является фундаментальным для всех живых организмов, в том числе и для растений. Они постоянно подвергаются механическим воздействиям ветра или дождя, атакам травоядных животных и могут реагировать на них движениями листьев, изменением темпа роста или выделением защитных веществ. Описано несколько механочувствительных белков растений, однако молекулярные механизмы, лежащие в основе мгновенного ощущения прикосновения, аналогичного тактильному чувству животных, оставались плохо изученными. Венерина мухоловка (Dionaea muscipula), сенсорные волоски которой генерируют электрический потенциал действия (ПД) и кальциевый сигнал для захлопывания ловушки, — идеальный объект для такого анализа.

Японские исследователи выяснили, как венерина мухоловка преобразует физический внешний стимул в биологический сигнал, распространяемый внутри клетки. Они разработали систему для одновременной регистрации электрических и кальциевых сигналов в клетках сенсорных волосков ловчего листа, комбинируя двухфотонную микроскопию с электрофизиологическими устройствами. В экспериментах использовали трансгенную линию венериной мухоловки, экспрессирующую сенсорный белок GCaMP6f. Индикаторные белки GCaMP в присутствии ионов кальция претерпевают конформационное изменение, и домен GFP в их составе приобретает способность флуоресцировать. Выбранный авторами вариант GCaMP6f отличается быстрой реакцией на изменение концентрации Ca²⁺.

Исследователи вручную отклоняли сенсорные волоски под микроскопом и наблюдали изменение флуоресценции (т.е. концентрации Ca²⁺) в клетках. Как было показано ранее, сенсорные клетки располагаются у основания волоска. Это так называемые вдавленные клетки эпидермиса (indented cells). При отклонении волоска начинали флуоресцировать вдавленные клетки с той его стороны, которая подвергается растяжению.

Анализ показал, что сенсорные волоски воспринимают механический стимул в два этапа. Слабый механический стимул (например, небольшое отклонение) вызывал повышение концентрации Ca²⁺ в цитозоле и небольшие изменения электрического потенциала, в самой вдавленной клетке и ее соседних клетках. Эти небольшие изменения были классифицированы как рецепторные потенциалы (РП). Только сильный стимул (или два последовательных стимула) запускал потенциал действия (ПД), который преодолевал пороговое значение напряжения и, в свою очередь, инициировал дальнодействующее распространение кальциевого сигнала к листовой пластине.

Исследование методом лазерной абляции подтвердило, что вдавленные клетки необходимы для инициации дальнодействующей сигнализации: волосок, в котором эти клетки были уничтожены, терял способность генерировать кальциевые сигналы в ответ на стимул.

ПД возникает в значительной мере за счет оттока хлорид-ионов (Cl⁻). Поэтому внимание авторов привлек механочувствительный анионный канал DmMSL10/FLYC1. Он присутствует во вдавленных клетках и активируется растяжением клетки — открывается и начинает пропускать анионы хлора, что вызывает быстрое изменение мембранного потенциала. Однако его физиологическая функция ранее была неясна. Используя метод трансформации с помощью агробактерий и систему CRISPR-Cas9, исследователи получили линии венериной мухоловки, экспрессирующие GCaMP6f и с нокаутированным геном DmMSL10.

Результаты работы с мутантами показали, что DmMSL10 критически важен для восприятия слабых стимулов. При сильном отклонении волоска, вызванным прикосновением человека, ловушки растения с нокаутом dmmsl10 сохраняли способность к закрытию и распространению дальнодействующих сигналов, очевидно, за счет других механизмов. Однако при слабых механических стимулах (масштаба микроньютонов, как при контакте с насекомым) мутанты не генерировали ПД и дальнодействующий кальциевый сигнал. Кроме того, скорость генерации ПД была значительно ниже, чем у дикого типа. Главное отличие заключалось в амплитудах рецепторного потенциала (РП), у мутантов они были значительно меньше, чем у дикого типа. Таким образом, DmMSL10 не отвечает за сам ПД, но обеспечивает генерацию достаточно мощного РП, чтобы достичь порога и запустить дальнодействующий ПД.

Чтобы оценить физиологическую значимость DmMSL10 в естественной среде обитания, авторы сконструировали микроэкосистему, где венерина мухоловка контактировала со своей типичной добычей — муравьями. В ловушках мутантов муравьи значительно реже (на 18,5%) вызывали распространение кальциевых сигналов, чем на растениях дикого типа. Частота полного закрытия ловушки также имела тенденцию к снижению (на 13,3%), однако это различие не было статистически значимым.

Исследователи предложили молекулярную модель механосенсорной системы венериной мухоловки на основе полученных результатов. Механический стимул активирует механочувствительные ионные каналы, включая DmMSL10, что приводит к увеличению РП и повышению концентрации Ca²⁺ во вдавленных и соседних с ними клетках. Если РП превышает порог, он запускает ПД. Дальнодействующий кальциевый сигнал распространяется вместе с ПД от терминальных концов вдавленных клеток к листовой пластине. В итоге два последовательных кальциевых сигнала вызывают движение листа, позволяя растению захватить добычу.

Данная работа углубляет фундаментальное понимание механочувствительности растений. «Многие реакции растений обусловлены механосенсорикой — тактильным чувством, — говорит первый автор статьи Хираку Суда из Университета Сайтамы, — поэтому базовые молекулярные механизмы могут быть теми же и для других растений, помимо венериной мухоловки». У животных отсутствуют механосенсоры, подобные DmMSL10, однако он является гомологом бактериального канала MscS.

Гены гриба и мха заставили растения светиться