Введение

В одном из недавних дайджестов SciNat [1] мы вскользь упомянули о том, что ученые обнаружили у растения Arabidopsis thaliana (русское название — резуховидка Таля) дальнодействующую и относительно высокоскоростную систему кальциевой сигнализации, которая активируется в ответ на механическое повреждение за счет особых растительных глутаматных рецепторов (glutamate-like receptors, GLR) [2], [3]. GLR синтезируются повсеместно у разных групп растений — от мхов до покрытосеменных — и принимают участие во множестве процессов: они могут играть важную роль в размножении, защите от патогенов, росте корней, регуляции степени открытия устьиц и трансдукции светового сигнала [4–7]. Необычность этой находки состоит в том, что глутамат также является распространённым возбуждающим нейротрансмиттером у позвоночных животных [4]. Кроме того, глутаматные рецепторы в большом количестве присутствуют на поверхности иммунокомпетентных клеток млекопитающих, для которых глутамат является важным иммуномодулятором [8]. Несмотря на то что растения и животные далеко отстоят друг от друга в эволюционном смысле, наличие у обеих групп системы межклеточной коммуникации на основе рецепторов к глутамату свидетельствует в пользу универсальности и эволюционной древности такой системы.

Роль глутамата в нервной системе млекопитающих подробно описана в нашей статье: «Очень нервное возбуждение» [9].

Что чувствуют растения?

Давайте же разберемся, что необычного удалось обнаружить авторам вышеупомянутой статьи в Science. Открытие было сделано случайным образом. Американо-японская группа ученых изучала влияние гравитации на классическое лабораторное растение Arabidopsis thaliana. Это растение является удобным модельным организмом в биологических исследованиях благодаря относительно короткому циклу развития и маленькому размеру (рис. 1). Ученые предположили, что кальциевая сигнализация может играть роль в гравитропизме — направленном росте органов растения относительно вектора гравитации . Для визуализации таких сигналов исследователи использовали специальный флуоресцентный белок-репортер, позволяющий «увидеть» повышение уровня ионов кальция в цитозоле клеток с помощью флуоресцентного микроскопа [11].

Механизмы влияния гравитации на Arabidopsis thaliana подробно описаны в нашей статье: «Растения в космосе: инструкция по применению» [12].

В ходе экспериментов растения порой получали механические повреждения и отвечали на них быстрым повышением уровня кальция в цитозоле клеток. Этот эффект заинтересовал исследователей, и они стали умышленно «натравливать» на Arabidopsis гусениц и кромсать его листья ножницами (относитесь с осторожностью к ученому, который проявляет к вам интерес :) ). На повреждения обоих типов растение отвечало «кальциевыми сигналами», которые быстро распространялись от места ранения и достигали отдаленных листьев в течение двух минут, что хорошо видно на ускоренной записи данного эксперимента (видео 1 и 2). Скорость сигнала составляла ~1 мм/с, что гораздо быстрее, чем можно объяснить простой диффузией. Тот факт, что Arabidopsis одинаково реагировал и на поедание гусеницей, и на повреждение ножницами, говорит нам о том, что для активации описанной сигнальной системы не требуются специальные химические вещества, выделяемые травоядными животными при поедании различных частей растения (рис. 2).

Также было показано — кальциевый ответ индуцируется исключительно глутаматом, а значит, решающую роль в этом процессе играют глутаматные рецепторы. GLRs относятся к семейству катион-проницаемых неселективных ионных каналов и, как мы упоминали выше, играют важную роль в жизни растения: они могут принимать участие в поглощении питательных веществ, передаче сигналов и транспорте различных соединений [13]. Глутаматные рецепторы растений весьма разнообразны и отличаются широкой лигандной специфичностью. В геноме Arabidopsis thaliana обнаружено 20 генов GLRs, которые можно сгруппировать в три клады. Ранее удалось узнать, что члены третьей клады данного семейства генов кодируют важные компоненты защитной системы растений, поэтому ученые изучали именно их [10]. Авторы показали, что изучаемый тип сигнализации отсутствует у растений с мутациями в двух генах глутаматных рецепторов — glr3.3 и glr3.6. Что интересно, эти рецепторы имеют высокое сходство последовательностей генов и белковых структур с ионотропными глутаматными рецепторами млекопитающих (iGLR), которые играют решающую роль в обучении и формировании памяти [8].

Возникает логичный вопрос: посредством чего в растениях передаются эти дальнодействующие сигналы? Ученые предположили, что действие глутамата сродни гуморальной регуляции и отличается от роли этой аминокислоты в качестве нейротрансмиттера у млекопитающих. Это подтверждается экспериментальными наблюдениями: флуоресцентный репортер, позволяющий «увидеть» повышение уровня кальция, обнаруживается в значительных количествах именно в проводящей системе — в клетках флоэмы, где, кстати, синтезируются различные молекулы раневой сигнализации (рис. 2) [3]. Также ученые использовали флуоресцентный глутамат-репортер и показали, что уровень этой аминокислоты поначалу увеличивается в месте ранения, а со временем распространяется на весь лист (рис. 3).

Основываясь на полученных результатах, ученые предложили следующую гипотезу активации системной защиты у Arabidopsis thaliana: механические повреждения, которые наносятся травоядными животными, приводят к локальному высвобождению в месте ранения глутамата из цитоплазмы клеток в апопласт. Молекулы этой аминокислоты транспортируются на большие расстояния по апопласту, достигая проводящей системы растений, где они активируют ионные каналы GLR3 в плазматической мембране клеток. В свою очередь, это приводит к увеличению притока ионов кальция в клетки флоэмы и быстрому распространению сигнала к листьям, удаленным от места ранения. Не менее важно то, что активация глутаматных рецепторов третьего типа приводит к увеличению биосинтеза защитных веществ в растении, таких как жасмонаты. Жасмонаты запускают синтез антимикробных и инсектицидных соединений, а также белков, блокирующих пищеварительные ферменты, благодаря чему повышается устойчивость растения к поеданию травоядными животными .

Роль жасмонатов в защите растений подробно описана в нашей статье «Жасмонаты: “слёзы феникса” из растений» [14].

Заключение

Отсутствие нервной системы у растений — широко известный факт. Однако, по-видимому, растения всё же обладают системой, позволяющей им относительно быстро реагировать на внешние угрозы и раздражители путем активации комплексной системы защиты. Примечательно, что сигнальная система растений, необходимая для защиты от травоядных животных, основана на той же «химии», что и нервная система животных. Чтобы понять, достаточна ли скорость распространения кальциевого сигнала для быстрого реагирования растения на внешние раздражители, необходимо продолжать изучение этой системы.

Литература

1. SciNat за сентябрь 2018 #3: мыши в виртуальной реальности, псевдо-нервная система растений и новый класс антибиотиков для борьбы с грамотрицательными бактериями;
2. Gloria K. Muday, Heather Brown-Harding. (2018). Nervous system-like signaling in plant defense. Science. 361, 1068-1069;
3. Masatsugu Toyota, Dirk Spencer, Satoe Sawai-Toyota, Wang Jiaqi, Tong Zhang, et. al.. (2018). Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science. 361, 1112-1115;
4. E. Michard, P. T. Lima, F. Borges, A. C. Silva, M. T. Portes, et. al.. (2011). Glutamate Receptor-Like Genes Form Ca2+ Channels in Pollen Tubes and Are Regulated by Pistil D-Serine. Science. 332, 434-437;
5. Carlos Ortiz-Ramírez, Erwan Michard, Alexander A. Simon, Daniel S. C. Damineli, Marcela Hernández-Coronado, et. al.. (2017). GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE channels are essential for chemotaxis and reproduction in mosses. Nature. 549, 91-95;
6. Seyed A. R. Mousavi, Adeline Chauvin, François Pascaud, Stephan Kellenberger, Edward E. Farmer. (2013). GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE genes mediate leaf-to-leaf wound signalling. Nature. 500, 422-426;
7. Daeshik Cho, Sun A. Kim, Yoshiyuki Murata, Sangmee Lee, Seul-Ki Jae, et. al.. (2009). De-regulated expression of the plant glutamate receptor homologAtGLR3.1impairs long-term Ca2+-programmed stomatal closure. The Plant Journal. 58, 437-449;
8. A. A. Boldyrev, E. A. Bryushkova, E. A. Vladychenskaya. (2012). NMDA receptors in immune competent cells. Biochemistry Moscow. 77, 128-134;
9. Очень нервное возбуждение;
10. Brian G. Forde, Michael R. Roberts. (2014). Glutamate receptor-like channels in plants: a role as amino acid sensors in plant defence?. F1000Prime Rep. 6;
11. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
12. Растения в космосе: инструкция по применению;
13. B. G. Forde, P. J. Lea. (2007). Glutamate in plants: metabolism, regulation, and signalling. Journal of Experimental Botany. 58, 2339-2358;
14. Жасмонаты: «слёзы феникса» из растений.