Корни растений подают скрытые предупреждающие сигналы при нападении

Фото из открытых источников

Корни растений быстро посылают сигналы предупреждения о повышенном давлении после повреждения, помогая соседним корням активировать кальциевые и электрические защитные сигналы под землей. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Корни растений большую часть своей жизни проводят, скрытые в почве, но насекомые, нематоды и другие угрозы все же могут им навредить. Поэтому растениям необходим способ предупреждать окружающие ткани о начале проблем. Это важно для сельского хозяйства, поскольку повреждение корней может снизить урожайность.

В новой статье показано, что часть этого предупреждающего сигнала может передаваться в виде быстрого изменения давления, которое превращается в электрический и кальциевый сигнал.

Работу возглавила Ангела Бодон из Вюрцбургского университета, а профессор Райнер Хедрих выступил в качестве одного из ведущих авторов. Исследовательская группа изучала лабораторное растение Arabidopsis thaliana, чтобы понять, как сигналы о повреждении передаются между боковыми корнями, которые отходят от главного корня.

«Хотя защитные механизмы надземных частей растений уже extensively изучены, коммуникация внутри корневой системы долгое время оставалась загадкой», — сказала Бодон.

Исследователи повреждали корни молодых саженцев тонкими стеклянными инструментами, одновременно измеряя электрические изменения внутри отдельных клеток. Они также использовали флуоресцентные маркеры для отслеживания кальция, заряженного минерала, который клетки используют для передачи сигналов.

Крошечное повреждение одной клетки вызвало электрическое изменение примерно на 49 милливольт. Более крупное повреждение вызвало изменение примерно на 91 милливольт, что показывает, что более крупное повреждение вызывает более сильную реакцию.

Увеличение размера раны не привело к значительному ускорению реакции, но продлило стойкость сигнала. Сигнал от отдельных клеток ослабел примерно за 22 секунды, по сравнению с примерно 118 секундами после более серьезного повреждения.

Сигналы от повреждения одной клетки были обнаружены на расстоянии около 2 миллиметров. Сигналы от более крупных повреждений достигали расстояния около 5 миллиметров, но ослабевали с расстоянием.

Небольшая рана вызвала значительное повышение уровня кальция внутри поврежденного корня. Более крупная рана привела к аналогичному пику, но уровень кальция оставался высоким гораздо дольше.

Кальциевая волна также оставалась вблизи раны, поэтому она не могла легко объяснить гораздо более быструю электрическую реакцию, наблюдаемую в другом корне.

Электрический ответ распространялся со скоростью около 74,7 миллиметра в секунду. Локальная кальциевая волна перемещалась всего лишь со скоростью около 0,00259 миллиметра в секунду.

Растительные клетки содержат воду под давлением, называемым тургорным давлением, которое помогает им оставаться упругими. При проколе клетки это давление падает.

«Как только клетка корня повреждается, происходит немедленное падение внутриклеточного давления, которое у растений очень высокое», — сказала Бодон.

Исследовательская группа использовала лазер для создания микроскопических пузырьков внутри клеток корня и измеряла их размер, чтобы отслеживать давление. Повреждение одного бокового корня также приводило к падению давления в другом соседнем корне.

Затем исследователи снизили клеточное давление, не обрезая корень, путем кратковременного применения концентрированного раствора сорбитола. Это вызвало электрический отклик и сигнал кальция, что свидетельствует о том, что одна лишь потеря давления может активировать корневые клетки.

Затем исследователи изучили белки, которые помогают клеткам корня ощущать изменения давления. Они протестировали два из этих белков, называемые MCA1 и OSCA1. При отсутствии MCA1 электрический сигнал, достигающий другого корешка, значительно ослабевал, снижаясь примерно до 38% от нормального уровня. Удаление OSCA1 не давало такого же эффекта.

Это позволяет предположить, что MCA1 помогает соседним корням обнаруживать изменение давления, вызванное повреждением. Затем это помогает инициировать кальциевые и электрические сигналы внутри этих корней, хотя в этом процессе должны участвовать и другие белки, поскольку сигнал не исчез полностью.

Команда также протестировала три вещества, связанные с повреждением клеток: глутамат, АТФ и перекись водорода. При непосредственном воздействии на корень все три вещества вызывали электрический отклик. Но при воздействии на другой боковой корень только глутамат вызывал явный электрический отклик в отслеживаемом корне.

Затем исследователи изучили растения, у которых отсутствуют два канала, реагирующие на глутамат, называемые GLR3.3 и GLR3.6. Эти растения по-прежнему нормально реагировали на саму рану, но электрический отклик в другом корне снизился примерно до 41% от ожидаемого уровня.

Сигнал достиг другого корня слишком быстро, чтобы сам глутамат успел туда добраться. Авторы предполагают, что быстрое изменение давления сначала достигает другого корня и может там запустить передачу сигналов глутамата, где каналы GLR помогают усилить ответную реакцию.

Исследователи также использовали оптогенетику — метод, который использует свет для управления активностью внутри клеток. Они использовали многократные световые импульсы для создания всплесков кальция в здоровых корнях. После этого они применяли глутамат или повреждали корень.

Корни, получившие эти всплески кальция, отреагировали гораздо слабее.

Глутамат вызывал электрический ответ всего в 6,9 милливольт по сравнению с 37,6 милливольтами у контрольных растений, а последующие повреждения также вызывали более слабые реакции.

Затем исследователи проверили, может ли многократное воздействие электрической активности само по себе вызвать тот же эффект. Оказалось, что нет, и корни по-прежнему могли ощущать изменения давления.

Это позволяет предположить, что повторные сигналы кальция могут на некоторое время снизить чувствительность глутаматной части системы предупреждения.

Белок MCA1, который помогает корням ощущать изменения давления, по-прежнему, по всей видимости, функционировал нормально.

Реакция корней отличалась от сигналов повреждения, ранее наблюдавшихся в листьях. В побегах предупреждающие сигналы могут распространяться на гораздо большее расстояние, в то время как сигналы от корней здесь ослабевают с расстоянием.

«В листьях предупреждающие сигналы часто распространяются на большие расстояния без существенного ослабления. Однако в корне сила сигнала экспоненциально уменьшается с расстоянием от места повреждения», — сказала Бодон.

Авторы предполагают, что такой меньший радиус действия может соответствовать жизни под землей, поскольку плотная почва может ограничивать скорость передвижения вредителей. В ходе эксперимента не проводилась прямая проверка естественных атак насекомых, поэтому это объяснение остается лишь интерпретацией.

Через пять часов после повреждения одного корня соседние корни продемонстрировали более высокую активность в путях, связанных с этиленом и жасмонатом — двумя растительными гормонами, участвующими в стрессовых реакциях.

В статье не доказан каждый шаг, связывающий быстрый сигнал давления с последующими изменениями гормонального фона. В экспериментах использовались молодые лабораторные саженцы и контролируемые механические повреждения, а не зрелые культуры, растущие в почве.

Результаты также не показывают, что изменение MCA1 защитит урожай, и, по-видимому, другие чувствительные к давлению каналы играют свою роль.

«Более глубокое понимание того, как растения воспринимают механические повреждения, позволяет более целенаправленно оптимизировать естественную устойчивость к насекомым, питающимся корнями», — сказала Бодон.

Проще говоря, повреждение одного корня вызывает быстрое изменение давления, которое достигает соседних корней. MCA1 помогает этим корням почувствовать это изменение, а каналы GLR усиливают кальциевые и электрические сигналы.