Augalai, kaip ir gyvūnai, naudoja glutamatą, kad greitai perduotų signalus per kūną. • Aleksandras Markovas. • Mokslo naujienos apie "elementus". • Botanika, molekulinė biologija, genetika.

Augalai, kaip ir gyvūnai, naudoja glutamatą, kad greitai perduotų signalus per kūną.

Pav. 1. Lapo pažeidimas (baltos strėlės) sukelia intracellular Ca koncentracijos padidėjimą2+ pirma sugadintame lakšte (raudonos rodyklės), o paskui nuotoliuose lapuose (geltonos rodyklės) Intracellular Ca koncentracija2+ naudojant specialiai sukurtą baltymą GCaMP3, kuris fluorescuoja esant kalciui (žr.skalė dešinėje) Augalas vienodai reaguoja į lapų valgymą vikšrine (A, važiuoklės korpusas balta taškinė linija) ir nupjaukite žirklėmis (B) Nuotraukos iš diskusijos straipsnioMokslas

Glutamatas yra svarbiausias neurotransmiteris visiems nervų sistemos gyvūnams. Nors augalai neturi nervų sistemos, jie taip pat gali perduoti informaciją iš vienos kūno dalies į kitą, naudodami elektrinius ir cheminius signalus, kurių pobūdis dar nėra visiškai suprantamas. Japonijos ir amerikiečių biologai parodė, kad glutamatas atlieka pagrindinį vaidmenį perduodant signalą iš pažeistų lapų į nepažeistus modelio gamykloje. Arabidopsis thaliana. Glutamatas sąveikauja su glutamato receptoriumi, panašiu į tuos, kurie naudojami gyvūnų nervų sistemoje. Dėl to susidaro Ca jonai.2+ citoplazmoje ir aktyvuojant genus, kurie suteikia augalų apsauginę reakciją. Atradimas buvo įmanomas taikant naujus vizualizavimo metodus, leidžiančius stebėti kalcio ir glutamato koncentracijos svyravimus skirtingose ​​augalų ląstelėse ir organuose realiuoju laiku.

Glutamatas yra ne tik pagrindinis mūsų smegenų excitatory neurotransmiteris. Jis atlieka neurotransmiterio funkcijas bet kuriuose ir su nervų sistemoje esančiais gyvūnais, įskaitant net ctenoforus, kurių nervų sistema greičiausiai atsirado nepriklausomai nuo kitų gyvūnų (žr.: "Ctenophora" genomikas reiškia dvigubą nervų sistemos atsiradimą gyvūnams "Elements" 2013-12/30). Glutamatas, kiek mes žinome, yra vienintelis ctenoforų ir kitų gyvūnų neuromediatorius (žr. "Dvigubos nervų sistemos išvaizdos hipotezė" gavo naujų patvirtinimų "Elements", 2014-05-26). Be to, net ne nervų kempinės naudoja glutamatą keistis signalais tarp ląstelių. Visa tai rodo ar didelę glutamato signalo funkcijos antikūną, ar tai, kad glutamatas ir įvairūs glutamato receptoriai (žr.Dėl tam tikrų priežasčių, glutamato receptorius yra labai patogu perduoti signalus iš ląstelės į ląstelę ir evoliucijos metu pakartotinai "naudojamas" atlikti panašias užduotis.

Naujas Japonijos ir Amerikos biologų atradimas, kurio rezultatai paskelbti naujausiame žurnalo numeryje Mokslas, parodė, kad augalai taip pat naudoja glutamato ir glutamato receptorius, kad greitai perduotų informaciją iš vienos kūno dalies į kitą.

Nors augalai neturi nervų sistemos, informacija apie žalą bet kuriai augalo daliai perduodama į kitas jo dalis elektros signalais, kurie nuotoliniu būdu panašūs į veikimo potencialą (žr. "Augalų neurobiologija: nervų impulsai be nervų sistemos" – populiari S.S. Pyatygin straipsnio "Comparative" santrauka veikimo potencialų apibūdinimas gyvūnams ir aukštesniems augalams). Ląstelėse, kuriose toks signalas buvo gautas, įjungiami tokie geliai, kurie teikia apsauginę reakciją, įskaitant fermentų genus, būtinus jasmonatų sintezei, augalų hormonai, kurie atlieka svarbų vaidmenį apsaugant nuo vabzdžių fitofagų. Augalai negali nei pabėgti, nei pasislėpti nuo savo priešų. Tačiau jie gali šiek tiek apsisaugoti, nukreipdami dalį savo išteklių į pažeistų audinių regeneravimą ir bauginančių ar toksiškų medžiagų gamybą.

Mažai žinoma, kaip auga "veikimo potencialas", kyla ir plinta. Buvo parodyta, kad jie yra susiję su depolarizacija ląstelių membranų (kaip ir gyvūnų neuronuose), taigi ir kai kurių jonų pernešimas per membraną; kad jie prasiskverbtų per laidus spindulius. Be to, buvo įmanoma įrodyti, kad tam tikrų GLR šeimos (glutamato receptorių) baltymų, būtent GLR3.3 ir GLR3.6, struktūros yra panašios į gyvulių jonotropinių glutamato gyvūnus (SAR Mousavi ir kt., 2013 m.) GLUTAMATINIO RECEPTORINIO LIKE genai tarpininkaujantys lapų ar lapų žaizdų signalams). Jonotropiniai receptoriai lokalizuoti į ląstelių membraną ir, jungdami su jų ligandu (šiuo atveju glutamatu), atsiveria jonų kanalai, leidžiantys vienam ar kitam jonams praeiti per membraną. Tačiau iki šiol nebuvo tiesioginių įrodymų, kad augalų baltymai GLR3.3 ir GLR3.6 iš tikrųjų yra jonotropiniai glutamato receptoriai (ir ne tik panašūs į juos struktūroje). Taip pat nebuvo jokių faktų, rodančių, kad glutamatas kažkaip buvo susijęs su signalų perdavimu tarp tolimų augalų dalių.

Atradimas buvo įmanomas taikant naujus aukštųjų technologijų metodus, stebint įvairių augalų ląstelių ir audinių koncentracijų svyravimus.Pradžioje mokslininkai stebėjo Ca šarminių jonų koncentracijų pokyčius.2+ Atsižvelgiant į mechaninius lapų pažeidimus (1 pav.). Tam naudojami genetiškai modifikuoti augalai. Arabidopsis thaliana, į genomą, kurio sudėtyje yra GCaMP baltymo geno, specialiai sukurtai tokioms problemoms spręsti. Šis baltymas fluorescuoja esant kalcio jonams.

Nustatyta, kad intracelulinė kalcio šuolių koncentracija pažeistame lapo plote po 2 sekundžių, o po to po 1-2 minučių reakcija plinta į kitus lapus. Bazė padidėjusios intraląstelinio kalcio koncentracijos eina link laidžių spindulių, todėl venos pradeda fluorescuoti ir šiek tiek vėliau parenchima, esanti greta jų (1 pav., Dešinėje). Papildomi eksperimentai parodė, kad floemas, greičiausiai, vaidina pagrindinį "kelią", o signalas per plazmomodemą skleidžia per parenchimą. Augalų reakcija į lapo valgymą vikšrine ir jo kirpimo žirkles yra ta pati: tai reiškia, kad viskas yra mechaniškai pažeista, o ne kai kurių žolelių vabzdžių išskiriamų medžiagų.Skirtingi lapai skirtingai reaguoja į kito lapelio pažeidimus: pavyzdžiui, jei lapelis 1 yra pažeistas (seniausias, kuris pasirodė pirmą kartą augimo procese), 6 lapas griežtai reaguos į tai, o 5 lapas bus beveik jokiu būdu (1 pav. , B, atitinkami lapai pažymėti L1, L5 ir L6). Tai atsiranda dėl to, kad yra pluošto laidų tinklo struktūra, kuri susidaro vystymosi metu: kai kurie lapai turi beveik tą pačią laidų sistemą, o kiti atlieka spindulius, kurie yra labiau atskirti vienas nuo kito.

Didėjančios intracellulinės kalcio koncentracijos banga kinta iš lapų į lapus, kai vidutinis greitis yra apie milimetrus per sekundę (keletas laipsnių lėtesnis nei nervų impulsas gyvūnams). Elektros signalas skleidžia tokį patį greitį – ląstelės membranų depolarizacijos bangą. Ląstelėse, kurios gauna signalą, įjungiama "apsauginių" genų išraiška, o jasmonatų koncentracija didėja. Jei pažeisto lapelio stiebas yra apdorotas kalcio kanalo inhibitoriumi (šie kanalai yra užblokuoti lantano jonais, La3+), sugadinto lapo signalas nepatenka į kitus lapus ir joje nėra apsaugos reakcijos.Taigi eksperimentai patvirtino kalcio ir kalcio kanalų vaidmenį paskirstant augalų "veikimo potencialą".

Remiantis turimais faktais, buvo logiška manyti, kad šiuo atveju aukščiau minėti baltymai GLR3.3 ir GLR3.6 šiuo atveju vaidina kalcio kanalus. Iš tiesų paaiškėjo, kad augalai su neįgaliaisiais genais GLR3.3 ir GLR3.6 Nr "kalcio bangos" iš pažeistų lapų nėra plisti. Vis dėlto viskas sugrįš įprastai, jei vieną kartą iš naujo įjungsite vieną iš šių genų (arba geriau, tiek vienu metu). Be to, pasirodė, kad GLR3.3 išreikšta lapų floemu ir GLR3.6 – "parazitos" ląstelėse, esančiose greta laivų. Tai tikriausiai rodo, kad du signalo laidumo du genai yra šiek tiek skirtingi, nors nors vienam iš jų yra pakankamai, kad signalas, net ir susilpnėjęs, galėtų skleisti kartu laidžių spindulių.

Kaip jau minėta, GLR3.3 ir GLR3.6 struktūros yra panašios į jonotropinius glutamato receptorius, tačiau jų funkcija nebuvo eksperimentine patvirtinta. Dabar, kai paaiškėjo, kad jie iš tiesų yra "ionotropiniai" (jie perneša kalcio jonus į citoplazmą), vis dar reikia įsitikinti, kad jie yra "glutamatas", ty jie reaguoja į ekstraląstelinį glutamatą.

Pasirodo, kad glutamato įvedimas į ląstelinio lapo (apoplasto) erdvę sukelia visiškai tą patį atsaką (padidėjusios ląstelių kalcio koncentracijos banga ir apsauginių genų įtraukimas), taip pat mechaniškai sugadina lapą (2 pav.). Kitos proteinogeninės amino rūgštys nedaro tokio poveikio (autoriai patikrino visus 19). Augaluose su neįgaliaisiais genais GLR3.3 ir GLR3.6 glutamatas nesukelia "kalcio" atsako. Visa tai puikiai tinka idėjai, kad GLR3.3 ir GLR3.6 iš tiesų yra ionotropiniai glutamato receptoriai, kurie atlieka pagrindinį vaidmenį augalų "veikimo potencialų" kūrime ir platinime.

Pav. 2 Glutamato įvedimas apoplastiniame lape (baltos strėlės) sukelia tokią pačią reakciją kaip mechaninė žala, su sąlyga, kad genai GLR3.3 ir GLR3.6 dirbti gerai. Aukščiau – paprastas augalas (WT), žemyn žemyn – augalų su neįgaliaisiais genais GLR3.3 ir GLR3.6. Vaizdas iš straipsnio diskusijoje Mokslas

Atsižvelgdama į ekstraląstelinio glutamato koncentracijos pasikeitimus lapų pažeidimo atveju, autoriai naudojo iGluSnFR dirbtinį baltymą, kuris fluorescuoja esant glutamatui.Paaiškėjo, kad ekstraląstelinio glutamato koncentracija greitai (per kelias sekundes) artėja prie pažeisto ploto apie 50 kartų (ir dar stipresnė dėl sunkių sužalojimų). Tada padidėjusi glutamato koncentracija kinta per lapų plokštę, išilgai venų. Kas atsitinka su glutamatu kituose (nepažeistuose) lapuose, straipsnyje nenurodyta. Taip pat lieka ne visai aišku, ar klausimas apsiriboja glutamato nutekėjimu iš sunaikintų ląstelių citoplazmos, ar netoli žaizdos, taip pat aktyviai išskiriamas glutamatas į nepaliestas ląsteles (antroji galimybė, vertinant pagal netiesioginius ženklus, yra didesnė).

Tai nereiškia, kad šis straipsnis išdėstė klausimą dėl augalų "veiksmų potencialo" pobūdžio. Vis dar yra daug neišspręstų klausimų. Tačiau tyrimas aiškiai parodė, kad augalai, kaip ir gyvūnai, naudoja glutamatą ir jonotropinius glutamato receptorius, kurie greitai perduoda signalus tarp nutolusių kūno dalių. Tai negalėjo būti paveldėta iš bendro protėvio, nes paskutinis bendras augalų ir gyvūnų protėvis nebuvo daugiasluoksnis.Taigi, mes turime mums ryškų konvergencijos evoliucijos pavyzdį.

Šaltinis: Masatsugu Toyota, Dirk Spencer, Satoe Sawai-Toyota, Wang Jiaqi, Tong Zhang, Abraham J. Koo, Gregg A. Howe, Simon Gilroy. Glutamatas sukelia tolimą atstumą, kalcio pagrindu augalų gynybą // Mokslas. 2018. V. 361. P. 1112-1115. DOI: 10.1126 / science.aat7744.

Taip pat žiūrėkite:
Augalų Neurobiologija: nervinių impulsų be nervų sistemą (populiarus straipsnis Synopsis S. Pyatygin lyginamieji savybės veikimo potencialo gyvūnų ir aukštesnieji augalai // leidinys General biologijos, 2008 T. 69. № 1. S. 72-77.).

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: