Рослини можуть вимірювати інтенсивність сольового стресу
Несприятливі умови довкілля є значним стресом для рослин. Високий рівень вмісту солей (хлориду натрію, NaCl) у ґрунті якраз і є таким стресором, який негативно впливає на рослини. Засолення є серйозною проблемою у сільському господарстві, особливо у посушливих регіонах світу. Біологи з Університету Мюнстера вперше виявили, що сольовий стрес запускає сигнали кальцію в особливій групі клітин у корінні рослин, і що ці сигнали утворюють «нішу, чутливу до натрію». Крім того, дослідники визначили кальцій-зв'язуючий білок (CBL8), який сприяє толерантності до солі, особливо в умовах сильного сольового стресу. Результати дослідження опубліковані в журналі Developmental Cell.
Сольовий стрес виникає через накопичення надмірної концентрації солей у ґрунті. Це гальмує зростання рослин і, зрештою, може призвести до їх загибелі. З цієї причини дослідники рослин зацікавлені у кращому розумінні сольового стресу, щоб вивести солестійкі рослини. Професор Йорг Кудла та його команда з Інституту біології та біотехнології рослин Мюнстерського університету вивчили питання про те, як рослини вимірюють інтенсивність сольового стресу та як вони на нього реагують. Модельною рослиною, яку вони використовували для своїх випробувань, був крес-салат (Arabidopsis thaliana), який є членом найбільшої групи квіткових рослин – хрестоцвітих, або Brassicaceae. До них відносяться багато харчових і кормових рослин, такі як капуста, гірчиця і редис.
Як негайна реакція на підвищені концентрації солі (NaCl), концентрація кальцію в цитозолі певної групи клітин збільшується протягом однієї хвилини. Відображається штучними кольорами: червоний (найвища концентрація) > жовтий > зелений > синій. Надано: А. Г. Кудла.
«Передусім, — каже Йорг Кудла, — ми досліджували коріння арабідопсису, щоб побачити, чи є в них якийсь тип клітин, які особливо реагують на сольовий стрес, чи весь корінь демонструватиме однакову реакцію та інтенсивність сольового стресу кількісно відбивалася інтенсивності сигналу кальцію».
Результат здивував експертів: хоча вся коренева система рослини зазнала стресу, відреагувала лише певна група клітин, і лише ця група сформувала так званий олігоклітинний кальцієвий сигнал. Ця група клітин розташована в зоні диференціювання кореня рослини та утворена всього кількома сотнями клітин. Просто для порівняння: докорінно багато тисяч клітин. Дослідники називають цю область «нішою, чутливою до натрію».
«Цю групу клітин, – пояснює Кудла, – не видно, і ми можемо функціонально відрізнити їх від інших клітин лише за допомогою біосенсорної технології високої роздільної здатності. Це було випадкове відкриття, яке було надзвичайно показовим і важливим». Причина в тому, що саме в цих функціонально-спеціалізованих клітинах формується первинний кальцієвий сигнал. При цьому біологи рослин виявили, що чим вищий рівень сольового стресу, тим сильніший сигнал кальцію.
Іншими словами, рослина здатна давати організму інформацію про інтенсивність стресу, що виник. Це спричинило питання, як клітини рослин можуть розрізняти слабкі і сильні сигнали кальцію, щоб мати можливість реагувати відповідним чином. Як правило, кальцієві сигнали декодуються різними білками, що зв'язують кальцій, які діють як сенсори кальцію.
Білки CBL важливі для стійкості до солі
У рослин це важливе завдання часто виконують так звані CBL (кальцинейрин-подібні) білки. Протягом деякого часу було відомо, що білок CBL4 є важливим для стійкості до солі і що відповідні мутанти без будь-якого функціонуючого білка CBL4 надзвичайно чутливі до сольового стресу. У своїй роботі дослідники виявили, що мутанти іншого білка CBL - CBL8 також мають знижену солестійкість. Однак мутанти cbl8, на відміну від мутантів cbl4, виявляли пригнічення росту тільки при сильному сольовому стресі. Після проведення біохімічних аналізів дослідники виявили, що висока концентрація кальцію активує білок CBL8, тоді як білок CBL4 також активний при нижчих концентраціях кальцію.
"Тільки в умовах сильного сольового стресу CBL8 допомагає викачувати сіль з рослини", - пояснює доктор Леоні Штайнхорст, яка також брала участь у дослідженні. "Це свого роду механізм перемикання, контрольований концентрацією кальцію".
Один цікавий аспект, виявлений біологами у зв'язку, - це еволюція білків CBL. Більшість видів злаків, таких як кукурудза, пшениця та ячмінь, належать до так званих однодольних рослин. Вони мають лише білок CBL4, іншими словами, у них відсутній цей механізм перемикання для адаптації до серйозного сольового стресу. Існують також дводольні рослини, такі як тютюн та помідори, і в цьому випадку вдалося продемонструвати, що дуплікація генів відбулася на ранній стадії еволюційного процесу і що CBL8 розвинув із цього. В результаті ці рослини мали більше можливостей реагувати на сольовий стрес.
«Тому одним цікавим підходом, — каже Йорг Кудла, — було б введення білка CBL8 у однодольні рослини, щоб вони також могли краще адаптуватися до сольового стресу та краще справлятися із посухою та сольовим стресом».
Мікроскопія високої роздільної здатності з використанням технології молекулярного біосенсора кальцію в рослинах дозволила виявити вже описані олігоклітинні сигнали кальцію. Ці біосенсори візуалізують зміни концентрації біоактивних речовин, таких як кальцій в клітинах і тканинах. Ці дослідження з використанням біосенсорної технології in vivo були об'єднані з іншими генетичними, клітинно-біологічними та біохімічними методами для детального з'ясування механізмів, що лежать в основі.
Також читайте: