Planter, som dyr, bruger glutamat til hurtigt at transmittere signaler gennem kroppen • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Botanik, Molekylærbiologi, Genetik

Planter, som dyr, bruger glutamat til hurtigt at transmittere signaler gennem kroppen.

Fig. 1. Skader på pladen (hvide pile) fører til en stigning i intracellulær Ca-koncentration2+ først i det beskadigede ark (røde pile), og derefter i fjerntliggende blade (gule pile). Intracellulær Ca Concentration2+ spores ved hjælp af en specielt udviklet til dette formål protein GCaMP3, som fluorescerer i nærværelse af calcium (seskala til højre). Anlægget svarer ligeledes til at spise blad af en larve (En, karrusel krop cirklede hvid prikket linje) og skære det med saks (B). Billeder fra artiklen i diskussionVidenskab

Glutamat er den vigtigste neurotransmitter i alle dyr med et nervesystem. Selvom planter ikke har et nervesystem, er de også i stand til at transmittere information fra den ene del af kroppen til en anden ved hjælp af elektriske og kemiske signaler, hvis karakter endnu ikke er fuldt ud forstået. Japanske og amerikanske biologer har vist, at glutamat spiller en central rolle i at sende signalet fra beskadigede blade til intakte dem i en modelfabrik. Arabidopsis thaliana. Glutamat interagerer med glutamatreceptorer svarende til dem, der anvendes i dyrets nervesystem. Dette fører til indgangen af ​​Ca-ioner.2+ i cytoplasma og til aktivering af gener, der tilvejebringer en beskyttende reaktion af planten. Opdagelsen blev muliggjort ved hjælp af nye visualiseringsmetoder, som gør det muligt at følge fluktuationer af calcium- og glutamatkoncentrationer i forskellige celler og organer i planten i realtid.

Glutamat er ikke kun den vigtigste excitatoriske neurotransmitter i vores hjerne. Det udfører funktionen af ​​neurotransmitter i alle dyr uden undtagelse, har et nervesystem, selv inklusive kam gelé, hvis nervesystem er sandsynligvis at stamme uafhængigt fra andre dyr (se:. Genome Ribbegopler taler til fordel for den dobbelte fremkomsten af ​​nervesystemet hos dyr, "Elements" , 2013/12/19). Glutamat, så vidt vi ved, er den eneste neurotransmitter, der er fælles for kam gelé og andre dyr (se:. Hypotesen om den dobbelte udseende af nervesystemet har modtaget nye beviser, "elementer", 2014/05/26). Endvidere bruger endog ikke-nervøse svampe glutamat til at udveksle signaler mellem celler. Alt dette antyder enten den store antikvitet af signalfunktionen af ​​glutamat eller det faktum, at glutamat og forskellige glutamatreceptorer (seAf en eller anden grund er glutamatreceptoren meget bekvem til transmission af signaler fra celle til celle, og i løbet af evolutionen er det blevet gentagne gange brugt til at udføre lignende opgaver.

Den nye opdagelse af japanske og amerikanske biologer, hvis resultater offentliggøres i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab, viste at planter også bruger glutamat- og glutamatreceptorer til hurtigt at overføre information fra en del af kroppen til en anden.

Selv om planter ikke har et nervesystem, overføres oplysninger om skader på en hvilken som helst del af en plante til andre dele af det ved elektriske signaler, som på afstand ligner virkningspotentialer (se: Plant Neurobiology: nerveimpulser uden et nervesystem – en populær synopsis af S. S. Pyatygins artikel Sammenligning karakterisering af handlingspotentialer hos dyr og højere planter). I de celler, der modtog et sådant signal, tændes de gener, der tilvejebringer en beskyttende reaktion, herunder generne af enzymer, der er nødvendige til syntesen af ​​jasmonater, plantehormoner, som spiller en vigtig rolle i beskyttelse mod insektfytophager. Planter kan hverken undslippe eller skjule deres fjender. Men de kan stadig beskytte sig lidt ved at omdirigere en del af deres ressourcer til regenerering af beskadigede væv og produktion af skræmmende eller giftige stoffer.

Lidt er kendt om, hvordan plante "aktionspotentialer" opstår og spredes. Det blev vist, at de er forbundet med depolarisering af cellemembraner (som i dyrneuroner) og derfor med transport af nogle ioner gennem membranen; at de spredte gennem ledende bjælker. Derudover var det muligt at vise, at udbredelsen af ​​disse signaler kræver visse proteiner fra GLR-familien (Glutamate receptor-lignende), nemlig GLR3.3 og GLR3.6, som er ens i struktur til de ionotrope glutamatreceptorer af dyr (SAR Mousavi et al., 2013 GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE gener medierer blad-til-blad sår signalering). Ionotrope receptorer lokaliseres på cellemembranen og forbindes med deres ligand (i dette tilfælde glutamat), åbner ionkanaler, hvorved en eller flere ioner kan passere gennem membranen. Imidlertid har der indtil videre ikke været direkte bevis for, at planteproteinerne GLR3.3 og GLR3.6 virkelig er ionotrope glutamatreceptorer (og ikke kun ligner dem i struktur). Der var heller ingen fakta, der viste, at glutamat på en eller anden måde var involveret i at sende signaler mellem fjerne dele af en plante.

Opdagelsen blev gjort mulig ved nye højteknologiske metoder til at observere fluktuationer i koncentrationerne af forskellige stoffer i planteceller og væv.Til en begyndelse fulgte forskerne ændringer i intracellulære koncentrationer af Ca-ioner.2+ som reaktion på mekanisk beskadigelse af bladene (fig. 1). Til dette blev genmodificerede planter anvendt. Arabidopsis thalianai genet, hvortil genet af GCaMP-proteinet blev tilsat, specielt designet til at løse sådanne problemer. Dette protein fluorescerer i nærværelse af calciumioner.

Det blev konstateret, at den intracellulære koncentration af calcium hopper i det skadede område af bladet efter 2 sekunder, og derefter inden for 1-2 minutter spredes reaktionen til andre blade. En bølge af øget koncentration af intracellulært calcium går langs de ledende bjælker, derfor begynder venerne at fluoresceres, og lidt senere parenchymen støder op til dem (fig. 1, højre). Yderligere forsøg har vist, at phloem sandsynligvis spiller rollen som den vigtigste "vej", og signalet formeres gennem plasmamodesma gennem parenchymen. Reaktionen af ​​planter til at æde et blad af en larve og at skære det med en saks er det samme: det betyder, at det hele er i mekanisk skade og ikke i nogle stoffer udskilt af det plantelevende insekt.Forskellige blade reagerer forskelligt på skaderne af et andet blad: Hvis blad 1 er beskadiget (den ældste der først kom i vækstprocessen), vil ark 6 reagere stærkt på dette, og ark 5 vil næsten ikke på nogen måde (Fig. 1 , B, de tilsvarende blade er mærket L1, L5 og L6). Dette skyldes strukturen af ​​netværket af ledende bjælker, som dannes under udvikling: nogle blade har næsten det samme ledende system, mens andre har ledende bjælker, der er mere isolerede fra hinanden.

Bølgen af ​​øget intracellulær calciumkoncentration bevæger sig fra blad til blad med en gennemsnitlig hastighed på ca. en millimeter pr. Sekund (flere størrelsesordener langsommere end nerveimpulsen hos dyr). Det elektriske signal udbreder sig med samme hastighed – en bølge af depolarisering af cellemembraner. I cellerne, der modtog signalet, aktiveres ekspressionen af ​​"beskyttende" gener og koncentrationen af ​​jasmonater øges. Hvis stilken af ​​et beskadiget blad forbehandles med en calciumkanalinhibitor (disse kanaler blokeres af lanthanioner, La3+), kommer signalet fra det beskadigede blad ikke ind i de andre blade, og den beskyttende reaktion er ikke inkluderet i dem.Således bekræftede eksperimenterne calcium- og calciumkanalernes rolle i fordelingen af ​​planteaktionspotentialer.

Baseret på de foreliggende fakta var det logisk at antage, at i dette tilfælde spiller de ovennævnte proteiner GLR3.3 og GLR3.6 rollen som calciumkanaler i dette tilfælde. Det viste sig faktisk, at planter med handicappede gener GLR3.3 og GLR3.6 ingen "calciumbølger" fra beskadigede blade spredes ikke. Alt går imidlertid tilbage til det normale, hvis du tænder et af disse gener igen (eller bedre, begge på én gang). Derudover viste det sig, at GLR3.3 udtrykt i blomstrens phloem, og GLR3.6 – i "kontakt" cellerne i parenchyma støder op til skibene. Dette indikerer sandsynligvis en lidt anderledes rolle for to gener i signalledningen, selv om nogen af ​​dem er tilstrækkelige til signalet, selvom det svækkes, til at formere langs de ledende bjælker.

Som allerede nævnt er GLR3.3 og GLR3.6 ens i struktur til ionotrope glutamatreceptorer, men deres funktion er ikke blevet eksperimentelt verificeret. Nu, da det blev klart, at de virkelig er "ionotropiske" (de overfører calciumioner til cytoplasmaet), forbliver det for at sikre sig, at de er "glutamat", det vil sige de reagerer på ekstracellulært glutamat.

Det viste sig, at indførelsen af ​​glutamat i det ekstracellulære rum i et blad (apoplast) giver det samme svar (i form af en bølge af øget intracellulær calciumkoncentration og inddragelse af beskyttende gener), ligesom mekanisk skade på bladet (fig. 2). Andre proteinogene aminosyrer giver ikke en sådan virkning (forfatterne tjekket alle 19). I planter med handicappede gener GLR3.3 og GLR3.6 glutamat forårsager ikke et "calcium" respons. Alt dette passer perfekt til ideen om, at GLR3.3 og GLR3.6 faktisk er ionotrope glutamatreceptorer, der spiller en central rolle i skabelsen og fordelingen af ​​planteaktionspotentialer.

Fig. 2. Indførelsen af ​​glutamat i apoplastbladet (hvide pile) forårsager planten samme reaktion som mekanisk skade, forudsat at generne GLR3.3 og GLR3.6 arbejde fint. op – almindelig plante (WT) nedenunder – plante med handicappede gener GLR3.3 og GLR3.6. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

For at følge ændringer i koncentrationen af ​​ekstracellulært glutamat i tilfælde af bladskader, brugte forfatterne det iGluSnFR-kunstige protein, som fluorescerer i nærværelse af glutamat.Det viste sig, at koncentrationen af ​​ekstracellulært glutamat hurtigt (inden for få sekunder) stiger ca. 50 gange i umiddelbar nærhed af det beskadigede område (og endnu stærkere for alvorlige skader). Derefter spredes en bølge af øget glutamatkoncentration over bladpladen, der følger langs venerne. Hvad der sker med glutamat i andre (intakte) blade er ikke nævnt i artiklen. Det er også ikke helt klart, om sagen er begrænset til udstrømningen af ​​glutamat fra de ødelagte cellers cytoplasma, eller i nærheden af ​​såret forekommer der også aktiv frigivelse af glutamat til intakte celler (den anden mulighed dømmer ved indirekte tegn er mere sandsynligt).

Dette er ikke at sige, at denne artikel punkterede mig i spørgsmålet om arten af ​​plante "aktionspotentialer." Der er stadig mange uløste spørgsmål. Undersøgelsen viste imidlertid klart, at planter som dyr bruger glutamat- og ionotrope glutamatreceptorer til hurtig transmission af signaler mellem fjerne dele af kroppen. Dette kunne ikke arves af en fælles forfader, fordi den sidste fælles forfader for planter og dyr ikke var multicellulær.Således har vi for os et levende eksempel på konvergent udvikling.

Kilde: Masatsugu Toyota, Dirk Spencer, Satoe Sawai-Toyota, Wang Jiaqi, Tong Zhang, Abraham J. Koo, Gregg A. Howe, Simon Gilroy. Glutamat udløser langdistance, calciumbaseret plantebeskyttelse // Videnskab. 2018. V. 361, s. 1112-1115. DOI: 10.1126 / science.aat7744.

Se også:
Planternes neurobiologi: nerveimpulser uden nervesystemet (populær synopsis af artiklen ved S. S. Pyatygina. Sammenligningsegenskaber ved aktionspotentialer hos dyr og højere planter // Journal of General Biology. 2008. V. 69. Nr. 1. P. 72-77).

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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