Растения лишены нервной системы, но способны реагировать на прикосновения. У венериной мухоловки чувствительные сенсорные волоски действуют как органы осязания. Двукратное быстрое касание активирует цепочку реакций, приводящих к захлопыванию ловушки и удержанию жертвы. Однако молекулярная структура этих сенсорных волосков остаётся невыясненной.
Японские ученые выяснили, что ионный канал DmMSL10, специализированный сенсорный механизм, находящийся у основания волосков, играет важную роль в восприятии даже самых незначительных прикосновений к добыче. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Чтобы визуализировать динамику Ca2+, команда разработала мухоловки, содержащие флуоресцентный белок-индикатор Ca 2+ GCaMP6f, а также применялась двухфотонная микроскопия для внутриклеточной регистрации электрических сигналов. «Разработанный нами метод позволил наблюдать за моментом, когда физическое воздействие трансформируется в биологический сигнал в живых растениях», — отмечает Суда, ведущий автор исследования (см. рисунок).
При небольшом деформировании устройства зафиксировано кратковременное увеличение концентрации кальция в определенной области 2+ и небольшое изменение электрического потенциала, которое остаётся локализованным. Напротив, при более сильном изгибе сначала возникает более выраженный рецепторный потенциал. Как только электрический сигнал пересекает порог — как при нажатии переключателя, — он вызывает мощный электрический импульс (потенциал действия) вместе с волной Ca 2+. После этого оба сигнала перемещаются от корня волоска до листовой пластинки. Полученные данные указывают на то, что в основе реакции лежит механизм, инициирующий потенциал действия и подвергающийся регулированию посредством пороговых значений, что сопоставимо с функционированием нервной системы животных.
Для более детального изучения принципов работы системы тактильного восприятия исследователи применили генетические методы, чтобы создать растения с инактивированными DmMSL10 (с отключенным геном) и продемонстрировала роль DmMSL10 в тактильном восприятии. У растений с нокаутом DmMSL10 стимулы, вызывающие потенциалы действия и волны Ca 2+ на большие расстояния у растений дикого типа, вызывали только подпороговые рецепторные потенциалы и локальные сигналы Ca 2+. Результаты показывают, что DmMSL10 действует как усилитель, повышая первоначальный слабый электрический сигнал до уровня, достаточного для запуска потенциала действия.
Для оценки справедливости гипотезы в реальных условиях, исследователи сконструировали миниатюрную экосистему, обеспечивающую свободное передвижение муравьев вокруг ловушек. При контакте с муравьем растения дикого типа демонстрировали возникновение колебаний Ca 2+ в ловушке, после чего ловушка закрывалась. В растениях с нокаутом DmMSL10 волны возникали гораздо реже, а ловушки закрывались ещё реже.
«DmMSL10 является ключевым сенсором для высокочувствительных волосков, которые позволяют улавливать даже самые слабые прикосновения», — говорит Суда. «Многие реакции растений обусловлены механочувствительностью — тактильным восприятием растений, — поэтому лежащие в их основе молекулярные механизмы могут быть общими не только для венериной мухоловки».
[Фото: Masatsugu Toyota/Saitama University]