Повреждённый корень передаёт сигнал соседним клеткам волной давления

Учёные из Бернского университета (Швейцария) под руководством д-ра Анжела Бодона впервые детально описали механизм молниеносной передачи сигналов о повреждении внутри корневых систем растений. Работа опубликована в Science Advances.

Когда насекомые атакуют листья растений, уже давно было известно, что предупреждения о нападении быстро распространяются по всему растению — через электрические сигналы, волны ионов кальция и химические мессенджеры. Аналогичная система в корнях была значительно хуже изучена.

Гидравлическая волна: в 10 000 раз быстрее кальция

Ключевое открытие: как только клетка корня повреждается, её высокое внутреннее давление мгновенно падает. Этот сброс давления распространяется как гидравлическая волна по сосудистой системе растения — примерно со скоростью 75 миллиметров в секунду.

«Как только клетка корня повреждается, происходит мгновенное падение внутриклеточного давления, которое очень высоко у растений, — объясняет Бодон. — Эта потеря давления распространяется как гидравлическая волна по сосудистой системе растения».

75 мм/с — это примерно в 10 000 раз быстрее, чем ранее задокументированные кальциевые волны в корнях. Это физическое сообщение распространяется задолго до того, как хватит времени на синтез и транспорт химических сигналов.

Как соседние корни «слышат» сигнал

Волна давления — это физическое явление, а не химический сигнал. Для её восприятия нужен «переводчик»: белок, преобразующий механическое изменение в биохимическую реакцию.

Команда Бодона идентифицировала этот белок — механочувствительный ионный канал MCA1 (MCA calcium channel 1). Он расположен в мембранах клеток соседних корней. Когда гидравлическая волна достигает соседнего корня и давление на клеточные стенки меняется, MCA1 открывается — запуская поток ионов кальция в клетку. Это создаёт электрический сигнал, который, в свою очередь, запускает синтез гормонов стресса и подготовку клетки к защите.

Роль каналов в корне и стебле различается. Если в листьях аналогичную функцию выполняет анионный канал MSL10, то в корне доминирует именно MCA1. Различается и характер сигнала: в листьях предупреждение распространяется на большие расстояния без затухания, тогда как в корнях «сила сигнала экспоненциально убывает с расстоянием от места повреждения».

Практическое значение для сельского хозяйства

Исследование важно не только как базовое открытие. «Более глубокое понимание того, как культурные растения воспринимают механические повреждения, открывает более целенаправленную оптимизацию их природной устойчивости к почвенным насекомым», — объясняет Бодон.

Подземные вредители — корневые нематоды, личинки жуков, почвенные мухи — наносят огромный ущерб сельскохозяйственным культурам. Если механизм защитной реакции корней хорошо понят, появляются возможности для:

• селекции сортов с более чувствительными или быстрее реагирующими корнями;
• генной инженерии экспрессии MCA1 для усиления защитного ответа;
• тестирования агрохимических агентов, способных имитировать или усиливать гидравлический сигнал.

Читайте также: бактериях, помогающих растениям в засолённой почве.

Открытие белка MCA1 как первичного «декодера» падения давления закрывает одну из давних загадок в понимании подземных защитных систем растений.