Растения способны ощущать прикосновение в течение минуты, что запускает белковые сигналы, изменяющие активность генов и определяющие дальнейший рост. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Растения могут казаться неподвижными, но окружающая среда постоянно оказывает на них давление. Ветер сгибает стебли, дождь падает на листья, животные проходят мимо, а насекомые могут впиваться в их ткани.
В отличие от животных, растения не могут противостоять этим силам. Они должны чувствовать, что происходит, и корректировать свой рост, поэтому их осязание удивительно важно для понимания того, как растения выживают в реальном мире.
Исследователи из Лундского университета выявили быструю внутреннюю сигнальную цепочку, которая помогает растениям реагировать на прикосновения или повреждения. Сигнал начинает действовать примерно через минуту и может повлиять на сотни генов, а также на то, как растение будет расти с течением времени.
Растения реагируют на множество видов физического воздействия, включая прикосновения, сгибание, ветер, дождь и повреждения от животных. Эти силы могут практически мгновенно изменять активность внутри растительных клеток.
Исследователям известно уже более двух десятилетий, что прикосновение активирует группу белков, называемых MAP-киназами. Эти белки помогают передавать сообщения внутри клетки, но полная цепочка, несущая сигнал прикосновения, оставалась неясной.
Оливье Ван Акен из Лундского университета работал с командой над поиском этой недостающей связи.
«Нам уже более 25 лет известно, что механическая стимуляция активирует MAP-киназы, но важная часть головоломки оставалась неразгаданной: что именно запускает этот сигнал и как он связан с последующим развитием растения. Теперь мы определили этот сигнальный путь», — сказал Ван Акен.
Исследовательская группа использовала небольшое цветущее растение под названием Arabidopsis thaliana. Чтобы имитировать тактильные ощущения, они аккуратно погладили 12-дневные растения мягкой кисточкой около 10 раз.
Это простое прикосновение быстро передало сообщение через клетки растения. Различные белки передавали сообщение от одной клетки к другой, почти как по реле.
Исследователи обнаружили, что белки MAPKKK3, MAPKKK4 и MAPKKK5 способствовали запуску сигнала. Они передали его белкам MKK4 и MKK5, которые затем активировали еще два белка, называемые MPK3 и MPK6.
Активность MPK3 и MPK6 повышалась примерно через минуту после прикосновения. Она оставалась высокой в течение около 10 минут, а затем в основном снижалась к 20 минутам.
Затем исследователи изучили активность генов через 22 минуты после прикосновения к растениям. У нормальных растений активность 2032 генов изменилась после прикосновения. Когда команда сравнила свои результаты с более ранними экспериментами, она выявила 1168 генов, которые неоднократно появлялись в рамках ранней реакции растения на прикосновение.
Работа многих из этих генов зависела от нормальной функционирования белков MKK4 и MKK5. Когда оба белка отсутствовали, 905 генов, реагирующих на прикосновение, вели себя иначе. Из них 779 не проявляли той активности, которая обычно наблюдается после прикосновения.
Это важно, потому что гены действуют как инструкции для дальнейших действий клеток. Поэтому прикосновение к листу может запустить изменения, которые распространяются далеко за пределы первого физического контакта.
Команда также изучила, что происходит с белками сразу после того, как растения были обработаны щеткой. Многие белки изменяются в результате процесса, называемого фосфорилированием, при котором к белку присоединяется небольшая химическая группа, способная изменить его функциональные свойства.
Всего за одну минуту изменилось 160 участков белка. Через три минуты это число возросло до 321, а через 10 минут — до 380. За весь период исследователи обнаружили изменения в 488 участках белка. Большинство из них стали более фосфорилированными после прикосновения.
У растений, в которых отсутствовали MKK4 и MKK5, была утрачена значительная часть нормальной белковой реакции, что указывает на то, что эти два белка находятся в центре раннего сигнала тактильного восприятия.
Растения также используют гормон, называемый жасмоновой кислотой, когда они повреждены или испытывают стресс. Он играет важную роль во многих защитных реакциях растений, поэтому команда хотела выяснить, контролирует ли он также этот быстрый всплеск изменений в белковом составе.
Растения, неспособные вырабатывать жасмоновую кислоту, в течение первых 10 минут после прикосновения выглядели на удивление похожими на обычные растения. Это позволяет предположить, что жасмоновая кислота важна для некоторых более поздних реакций генов, но она не контролирует большинство самых ранних изменений белков, наблюдаемых здесь.
Хуй Куонг Тран из Лундского университета подчеркнул, как много может произойти за столь короткое время.
«Удивительно, что сигнал, запущенный в течение минуты, может иметь столь масштабные последствия», — сказал Тран.
Исследователи также хотели выяснить, имеет ли значение этот быстрый сигнал после первых нескольких минут. Они дважды в день многократно протирали растения, растущие в почве, и наблюдали за изменением их роста. Спустя две недели многократное прикосновение уменьшило площадь листовой розетки у нормальных растений примерно на 38 процентов.
Растения, у которых были проблемы в первой части сигнальной цепи, сократились в размерах всего примерно на 20 процентов. У растений, у которых отсутствовали гены MKK4 и MKK5, наблюдалась промежуточная реакция: площадь розетки уменьшилась примерно на 28 процентов.
Это позволяет предположить, что сигнальная цепочка помогает растениям изменять свой рост при повторном физическом стрессе. Также воздействие Touch задерживало цветение у обычных растений примерно на три дня.
В одном из экспериментов у растений с измененными характеристиками наблюдалась меньшая задержка, но эта разница была недостаточно существенной, чтобы исследователи могли однозначно исключить случайность.
Растения на фермах, в садах, лесах и на лугах постоянно подвергаются воздействию физических сил. Ветер, дождь, насекомые, животные и повреждения — всё это может влиять на их рост. Понимание того, как растения воспринимают эти силы, может помочь исследователям выяснить, почему одно и то же растение может расти по-разному в различных физических условиях.
Эти знания в конечном итоге могут иметь значение для сельскохозяйственных культур, особенно потому, что повторяющиеся механические нагрузки могут влиять на размер, прочность и развитие растений.
Тем не менее, в данной статье не показано, как применять полученные результаты в сельском хозяйстве. Эксперименты проводились в основном с арабидопсисом в контролируемых условиях, поэтому для изучения влияния культурных растений на реальные полевые условия необходимы отдельные исследования.
Виктор Йоханссон из Лундского университета связал эту работу с более широким вопросом о том, как растения адаптируются к меняющимся условиям окружающей среды.
«Растения могут казаться неподвижными и пассивными, но они постоянно следят за тем, что происходит вокруг них», — сказал Йоханссон. «Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе этих сигналов, позволит нам лучше понять, как растения адаптируются к окружающей среде и справляются с меняющимися условиями, такими как изменение климата».
Команда выявила важную сигнальную цепочку, но до сих пор не знает, что именно первым обнаруживает физическую силу на поверхности растения. Прежде чем начнет работу цепь MAP-киназы, что-то должно почувствовать прикосновение, и эта часть остается нерешенной.
Этот сигнальный путь также не объясняет каждый ген, реагирующий на прикосновение. Из 1168 основных генов раннего ответа 215 не были объяснены основными сигнальными системами, протестированными в статье.
Эта работа проясняет значительную часть картины, даже если информация о первом сенсорном датчике на заводе остается неизвестной. Теперь ясно, что даже незначительное физическое воздействие может в течение нескольких минут запустить молекулярную цепную реакцию, в конечном итоге изменив рост растения.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/197375-rasteniya-chuvstvuyut-prikosnoveniya-i-uchenye-vyyasnili-chto-proiskhodit-posle-etogo
Обозрение "Terra & Comp".
