واکوئل گیاه تحریک شده

شکل و فرکانس این سیگنالها گیاهان مختلفی را به کار می اندازند. به عنوان مثال، به آنها اجازه می دهد تا به گرما و سرما، شدت نور بیش از حد و یا آفات حشرات پاسخ دهند.

اگر، مثلا، یک کاترپیلار شروع به جویدن برگ گیاه وحشی کند، یک سیگنال الکتریکی به برگ هایی که تا به حال آسیب ندیده است ارسال می شود و باعث می شود یک مکانیزم واکنش نشان داده شود: مواد تلخ یا مواد سمی در سراسر گیاه تولید می شوند ، باعث می شود کاترپیلار پس از مدتی از خوردن یا کشتن آن جلوگیری کند. اما به دلیل طعم و مزه، توانایی تولید مواد تلخ از محصولات مدرن برداشته شده است. بنابراین، سموم شیمیایی بر روی محصولات زراعی اسپری می شود تا آنها را از آفات کاترپیلار خلاص کند.

محققان دانشگاه جولیوس ماکزیمیلانس JMU) Würzburg) در بایرن آلمان، اکنون نور جدیدی را در رابطه با ارتباطات گیاه از طریق سیگنال های الکتریکی ردیابی کرده اند. آنها متوجه شدند که کانال یون TPC1 باعث افزایش تحریک پذیری می شود. عملکرد این کانال قبلا ناشناخته بود. این کشف ممکن است راه را برای پرورش گیاهانی که مقاوم در برابر آفات، گرما و خشکسالی در بلندمدت هستند، هموار کند - خصوصیاتی که در برابر تغییرات آب و هوایی بسیار مهم هستند.

انتشار در Nature Communication

دانشمندان JMU به رهبری پروفسور بیوفیزیست راینر هدریخ در حال حاضر یافته های خود را در مجله Nature Communications ارائه کرده اند. هدریخ که کانال یون TPC1 را در اواسط دهه 1980 کشف کرده بود، زمانی که پست دکتری داشت او با  Nobel Laureate اروین نهر در گوتینگن بود. در طول سالها، او به طور کامل کانال را مطالعه کرده و تقریبا تمام خواص آن را شرح داده است.

مقاله جدید هدریخ یک شکاف دانش دیگر را پر می کند. غشای سلولی گیاهان قبلا به تحریک پذیری شناخته شده بودند؛ دانشمندان اکنون ثابت کرده اند که این نیز در مورد غشای محصور شده در واکوئل مرکزی سلول های گیاهی قرار دارد و TPC1 نیز نقش کلیدی ایفا می کند. واکوئل یک محفظه بسته پر از یک محلول آبی است که می تواند تا 90 درصد از حجم یک سلول گیاهی را مصرف کند. هدف اصلی آن این است که از یک کابین برای نگهداری مواد مغذی استفاده شود.

سیگنال الکتریکی همزمان با موج کلسیم

چگونه سیگنال های الکتریکی در غشای واکوئل ایجاد می شود؟ هنگامی که یک برگ زخمی می شود، علاوه بر سیگنال الکتریکی، موجی از کلسیم در برگ زخمی ایجاد می شود. اینگو دریر، استاد دانشگاه تالکا در شیلی و همکار هدریخ، توضیح می دهد: "این دو سیگنال به طور متقابل تقویت می شوند، که اجازه می دهد سیگنال را در همه گیاهان پخش کند."

در گیاهانی با TPC1 معیوب، موج کلسیم به آرامی حرکت می کند یا اصلا حرکت نمی کند. هدریخ می گوید: "این یافته ما را به مطالعه خواص واکوئل با استفاده از تکنیک گیره پچ تبدیل کرد." معلوم شد که واکوئل هایی که دارای TPC1 نیستند نمی توانند از طریق بار الکتریکی و یا افزایش کلسیم تحریک شوند. با این وجود در موتاسیون بیش از حد فعال TPC1 تحریک پایدار بود. "این تکنیک و سایر تحلیل ها ما را به ریاضی کردن مدل رفتار واکوئل و پیش بینی خواص ناشناخته کانال های واکوئل قادر ساخته اند."

بررسی ساختار و عملکرد کانال یون

هدریخ می گوید: "کشف ما نیز مورد توجه پژوهش های پزشکی است." این به این دلیل است که بستگان کانال TPC1 نیز در انسان شناسایی شده اند. اما هنوز معلوم نیست که نقش کانال در وزیکول های غشاء کوچک، اندوزوم سلول های ما چیست. بنابراین محققان پزشکی نیز به دنبال ویژگی های مشترک در ساختار و عملکرد TPC1 در گیاهان و انسان ها هستند.

پروفسور JMU می گوید: "برای ارائه پاسخ ها، دانشمندان آمریکایی برای اندازه گیری های گیره های پچ برای تعیین قطعه مولکولی خود که عملکرد کانال را تحت تأثیر قرار داده اند، تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس انجام دادند. این باعث می شود TPC1 یکی از بهترین کانال های یونی وابسته به ولتاژ باشد."

 TPC1شامل دو زیر واحد است. هنگامی که آنها برای تشکیل یک جفت جمع می شوند، یک کمپلکس ایجاد می شود که یک کانال یونی در مرکز آن دارد که به ولتاژ و یون های کلسیم پاسخ می دهد. گیرنده کلسیم در انتهای سیتوپلاسمی TPC1 وجود دارد تا کانال و گیرنده دیگری را در داخل واکوئل فعال کند. اگر غلظت کلسیم داخلی بیش از حد بالا باشد، کانال مسدود می شود و واکوئل تحریک پذیری اش را از دست می دهد.

TPC1 در تحولات و تغییرات آب و هوایی

هدریخ می گوید: "ما همچنین از خودمان پرسیدیم که عملکرد TPC1 وابسته به کلسیم در گیاهان برای اولین بار رخ داده است. ظاهرا خزه ها اولین کسی بودند که این کار را انجام می دادند. "در حال حاضر ما قصد داریم دریابیم آیا TPC1 همچنین مسئول تحریک پذیری در اجداد اولیه محصولات ما است و اینکه آیا بکار گرفتن جلبک یا قارچ TPC1  قادر به درمان شکست عملکردی در جهش های گیاهان زراعی مدرن است."

علاوه بر این، محققان کشف کردند که خانواده گیاهان وجود دارد که اعضای آن تفاوت های قابل توجهی در توسعه عملکرد کانال های فردی دارند. آنها اکنون می خواهند دلیل این تفاوت ها را در سطح مولکولی درک کنند. علاوه بر این، آنها قصد دارند تا بررسی کنند که آیا تفاوت های جزئی باعث انطباق تنش گیاهان می شود.

منبع:

Dawid Jaślan, Ingo Dreyer, Jinping Lu, Ronan O’Malley, Julian Dindas, Irene Marten, Rainer Hedrich. Voltage-dependent gating of SV channel TPC1 confers vacuole excitability. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-10599-x