Jak rośliny odbierają świat? - Nowe odkrycie chińskich naukowców

Zajmują większą część biomasy niż wszyscy ludzie i zwierzęta domowe razem wzięci, każdego dnia je mijamy po drodze do pracy, szkoły, na uczelnię - rośliny. Mimo osiadłego trybu życia bez zdolności ruchu odbierają bodźce ze środowiska i przystosowują się na ich podstawie do zmiennych warunków.


Jak rośliny odbierają świat? - Nowe odkrycie chińskich naukowców

Kiedy zranisz drzewo, urwiesz liść, raczej nie zwracasz na to uwagi, w końcu rośliny nie czują. Myślano tak przez naprawdę długi czas, lecz niedawno odkryto nowy receptor obecny na powierzchni błony komórek Arabidopsis thaliana - popularnej w badaniach laboratoryjnych rośliny okrytozalążkowej. Białko to wiąże się z nadtlenkiem wodoru, który jest znany między innymi jako woda utleniona albo wybielacz. Poza tym jest pospolitym związkiem uszkadzającym DNA i inne cząstki biologiczne, powstającym po związaniu rodników tlenowych z wodą.

Zacznijmy najpierw od budowy komórki roślinnej. Różni się ona od zwierzęcej m.in. obecnością celulozowej ściany komórkowej, która zapobiega pękaniu komórek na skutek nadmiernego pęcznienia. Przestrzeń pomiędzy błoną komórkową a ścianą nazywana jest apoplastem i właśnie tamtędy transportowane są liczne substancje wewnątrz organizmu roślinnego. Właśnie tam też znajdują się wspomniane wcześniej receptory nadtlenku wodoru.

Najwięcej związków ze środowiska wnika do roślin przez aparaty szparkowe, dlatego też naukowcy badając wpływ nadtlenku wodoru na te organizmy skupili się konkretnie na tych systemach. Normalnie komórki  aparatu szparkowego wydzielają kwas abscysynowy (rodzaj hormonu roślinnego) pod wpływem nadtlenku wodoru. Zespół złożony z Feihua Wu, Yuan Chi i innych naukowców potraktował nasiona rzodkiewnika (A. thaliana) pewnym czynnikiem mutagennym, w wyniku czego przestały one wydzielać ten hormon. Następnie naukowcy zbadali genom mutantów i porównali z prawidłowo rozwijającymi się roślinami, w wyniku czego udało im się odkryć gen HPCA-1 kodujący białko z rodziny LRR, będące wspominanym receptorem nadtlenku wodoru.

Reakcja H2O2 z receptorem HPCA-1 źródło: Wu et al.

U zdrowych roślin podwyższone stężenie nadtlenku wodoru w przestrzeni apoplastycznej skutkuje zwiększonym napływem jonów wapnia do komórki, a następnie ich dalszym przekazywaniem do kolejnych komórek - w taki sposób rośliny reagują na zranienie, patogeny albo inne czynniki stresowe. Jony powodują depolaryzację błony, dzięki czemu komórki dostają informację o stresorze i mogą zacząć syntezę odpowiednich białek. Napływ wapnia zwykle jest poprzedzony zamknięciem aparatu szparkowego.

Mutanty genu HPCA-1 w warunkach niskiego stresu zachowywały się praktycznie jak zdrowe rośliny. Problem pojawiał się, kiedy w przestrzeni apoplastycznej pojawiał się nadtlenek wodoru. Z racji, że nie posiadały białka HPCA-1, nie wydzielały w odpowiedzi na podwyższone stężenie kwasu abscysynowego ani nie pojawiał się sygnał wapniowy. Naukowcy zauważyli także, że odpowiedź hormonalna na obecność H2O2 jest charakterystyczna dla wszystkich komórek A. thaliana, a nie tylko komórek ochronnych w aparacie szparkowym.

Po związaniu H2O2 w białku HPCA-1 cysteina jest utleniania do niestabilnego kwasu sulfenowego, który następnie utlenia się do kwasu sulfonowego i sulfinowego. W konsekwencji tego powstają mostki siarczkowe, które mogą być rozerwany przez jakiś inny czynnik, którego obecnie nie znamy. Wu i reszta uważają, że białko może należeć do większej rodziny receptorów wolnych rodników tlenowych obecnych u roślin. Odkrycie HPCA-1 jest w pewnym sensie przełomem, ponieważ jest zupełnie inne niż receptory nadtlenku wodoru syntetyzowane u innych grup organizmów.


Źródła:

Christine H. Foyer “How plant cells sense the outside world through hydrogen peroxide”, Nature, 19 February 2020

doi: 10.1038/d41586-020-00403-y

Feihua Wu, Yuan Chi, Zhen-Ming Pei “Hydrogen peroxide sensor HPCA1 is an LRR receptor kinase in Arabidopsis”, Nature, 19 February 2020

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2032-3

Obraz tytułowy kwiat A. thaliana autorstwa Sui-setz, źródło: 投稿者本人撮影