Венерины мухоловки (Dionaea muscipula) — это растения-хищники, которые встречаются только в Северной и Южной Каролине в Соединённых Штатах. Они способны отличить насекомых, которые их опыляют, от тех, кто может стать добычей. Несмотря на то что у них нет нервов, они могут улавливать прикосновения с помощью высокочувствительных сенсорных волосков. Если прикоснуться к растению дважды подряд, его листья закрываются и ловят добычу. Однако до сих пор оставалось загадкой, как работает сенсорный механизм у этих растений.
Основа техники ловли добычи — химический ионный канал DmMSL10, который окружает основание сенсорных волосков венериной мухоловки. Эта мембрана позволяет химическим веществам проходить через неё и является ключевым датчиком, который улавливает едва заметные прикосновения добычи, например мух. Об этом говорится в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications.
Чтобы увидеть, что происходит на молекулярном уровне у этих растений, группа учёных из Университета Сайтама в Японии и Национального института фундаментальной биологии разработала венерины мухоловки, которые экспрессируют специфический белок под названием GCaMP6f. Они наблюдали, как очень слабый изгиб сенсорных волосков растения вызывает локальное изменение электрических зарядов внутри растения.
🔬 Слабая реакция на отклонение в сенсорном волоске венериной мухоловки. (Источник: Масацугу Тойота / Университет Сайтама)
Для сравнения: более сильный изгиб сначала вызывает более сильную реакцию электрического сигнала. Как только электрический сигнал в растении достигает определённого порога, происходит большой электрический всплеск вместе с химическим мессенджером в растениях, называемым волной Ca2+.
Электрический сигнал и волна Ca2+ затем распространяются от волосистой части растения вверх к листовому лезвию. По словам команды, механизм работает аналогично нервной системе животных.
«Наш подход позволил нам визуализировать момент, когда физический стимул преобразуется в биологический сигнал в живых растениях», — заявил в заявлении соавтор исследования и биолог растений Хираку Суда.
🔬 Сильная реакция на отклонение в сенсорном волоске. (Источник: Масацугу Тойота / Университет Сайтама)
Чтобы подробнее изучить эту тактильную систему восприятия, команда генетически сконструировала венерину мухоловку, у которой не было ионного канала DmMSL10, который мог бы передавать электрический сигнал, заставляющий листья закрываться. У этих растений реакция на раздражители была гораздо слабее, что указывает на то, что DmMSL10 работает как усилитель, усиливая первоначальный слабый электрический сигнал, пока он не станет достаточно сильным, чтобы вызвать действие.
Для того чтобы увидеть, как это может работать в дикой природе, команда создала в лаборатории небольшую экосистему. Здесь муравьи свободно перемещались и ходили по венериным мухоловкам, у которых был естественный ионный канал DmMSL10, и по тем, у которых его не было. В этой моделируемой дикой экосистеме прикосновения муравьёв вызывали реакцию у растений. У растений без ионного канала DmMSL10 закрытия происходили реже, а сенсорные волоски изгибались реже. Те, у которых был DmMSL10, закрывались чаще, а их сенсорные волоски изгибались чаще.
«Наши результаты показывают, что DmMSL10 является ключевым механосенсором для высокочувствительных сенсорных волосков, которые позволяют улавливать прикосновения даже при самых слабых, едва заметных контактах», — говорит Суда. «Многие реакции растений возникают в результате механосенсинга — тактильного чувства растений, — поэтому основные молекулярные механизмы могут быть общими и для других растений, помимо венериной мухоловки».