Перекись водорода — молекулярное соединение, хорошо знакомое каждому, кто хоть раз обрабатывал разбитую коленку. Кстати, наше тело само производит его внутри клеток, помогая иммунной системе выстраивать барьер против опасных микробов. Поврежденные клетки ткани выбрасывают микроскопическое количество перекиси водорода, что служит «сигналом тревоги» для иммунной системы. Лейкоциты и макрофаги (белые кровяные тельца) улавливают этот химический след и устремляются к ране, чтобы начать ремонт и уничтожить бактерии.
Однако аналогичные механизмы работают и в растительном мире: там перекись аналогичным образом выступает в роли ключевого мессенджера, сигнализируя клеткам о нападении вредителей, ранениях или сильном стрессе.
По словам профессора молекулярной и клеточной биологии растений Университета Делавэра Чонг-Юн Ли, это вещество вовлечено практически во все внутренние и внешние адаптационные процессы, с которыми сталкиваются растения. При этом перекись действует локально, то есть точечно активирует защитные каскады, не затапливая клетку целиком.
Команде исследователей под руководством научного сотрудника Нираджа Кумара Вишвакармы удалось выяснить, как именно передаются эти сигналы. За экстренную связь отвечают плазмодесмы — микроскопические каналы-нанопоры, соединяющие соседние растительные клетки. Именно в них при повреждении ткани происходит концентрированный выброс перекиси водорода, запускающий волну тревоги по всему организму.
Понимание субклеточных механизмов того, как плазмодесмы реагируют на биотические угрозы (грибки и бактерии) и абиотические стрессы (засуха или мороз), позволит ученым буквально «вручную» настраивать межклеточный транспорт. Контролируя эти каналы, исследователи смогут сохранять сосудистые сети растений открытыми и высокопродуктивными даже в самых суровых погодных условиях, создавая неуязвимые к изменению климата сельскохозяйственные культуры.
Предыстория этого прорыва началась еще в 2016 году. Тогда профессор Ли определила, как именно растения разделяют защитные реакции в зависимости от природы угрозы — будь то биотический стресс (нападение насекомых и патогенов) или абиотический (засуха, экстремальные температуры и заморозки). Исследовательница выяснила, что передача тревожных сигналов идет по множеству сложных маршрутов через плазмодесмы — микроскопические межклеточные мостики.
«Если растение кусает вредитель, его клетки мгновенно транслируют соседям: „На меня напали! Готовьте оборону!“» — объясняет Ли.
Главными «гонцами» в этой системе связи выступают сигнальные молекулы, включая перекись водорода. Поскольку растения неподвижны и не могут убежать от опасности, в случае угрозы они защищаются химически, например, вырабатывают токсины, делающие их листья горькими или ядовитыми для животных. Перекись водорода как раз и запускает этот внутренний конвейер химической защиты.
Чтобы в деталях увидеть, как перекись генерируется и путешествует по нанопорам, команда с факультета растениеводства и почвоведения Университета Делавэра применила высокоточный метод. Они генетически модифицировали клетки австралийского дикого табака и кресс-салата, внедрив в них биосенсор нового поколения HyPer7. Этот сенсор избирательно прикрепляется к плазмодесмам и реагирует исключительно на перекись водорода: под объективом лазерного микроскопа в присутствии H2 O2 он начинает ярко светиться, подобно крошечному фонарику.
Для фиксации этих процессов потребовались уникальные технологии визуализации. Джеффри Каплан, доцент и директор Центра биовизуализации Университета Делавэра, ранее работавший с аналогичными маркерами для изучения хлоропластов (энергетических станций клеток), признает: отследить поведение плазмодесм с помощью HyPer7 оказалось несоизмеримо сложнее. Изначально исследователи полагали, что нанопоры будут лишь пассивно копировать всплески перекиси водорода, происходящие в цитоплазме и на внешней мембране клеток. Однако реальность преподнесла сюрприз.
«Мы ожидали, что в момент повреждения растения все сигнальные системы вспыхнут одновременно, — рассказывает Каплан. — Но датчики зафиксировали иную картину: сначала волна поднялась у самой раны, и лишь спустя время реакция началась в плазмодесмах, расположенных дальше. Процессы шли не параллельно, а последовательно».
Плазмодесмы в отдаленных, еще не поврежденных частях растения активировались по собственному, отложенному графику. Они сработали как автономные «контрольно-пропускные пункты», которые подхватывали сигнал тревоги, передавали его по цепочке дальше и помогали организму скоординировать системный иммунный ответ.
При этом ученые заметили еще одну важную деталь: внутри самих каналов-нанопор всплеск перекиси был куда более мощным и чувствительным, чем в окружающем их цитозоле (внутриклеточной жидкости) или на плазматической мембране.
По словам Каплана, цитозоль — крайне агрессивная среда для перекиси водорода. Внутриклеточная жидкость перенасыщена защитными белками и ферментами, чья главная задача — мгновенно нейтрализовать и расщепить перекись, чтобы защитить внутренние структуры клетки. Из-за этой постоянной «зачистки» зафиксировать свободную перекись в цитозоле почти невозможно. А вот внутри плазмодесм молекулы перекиси оказываются защищены от белков-чистильщиков, что позволяет им эффективно выполнять роль сигнальных ракет.
Как подчеркнул ведущий автор работы Нирадж Вишвакарма, это исследование впервые в истории науки продемонстрировало поведение активных форм кислорода (АФК) внутри плазмодесм в режиме реального времени. Эти микроскопические каналы связи оказались не просто мостиками, а сверхчувствительными датчиками, которые служат точками раннего обнаружения стресса прямо на границах клеток.
Точные причины, почему удаленные ткани активируют защиту с задержкой, ученым еще предстоит выяснить в ходе будущих экспериментов. Однако уже сейчас авторы уверены в колоссальном прикладном значении своего открытия.
По словам профессора Ли, понимание того, что плазмодесмы способны самостоятельно генерировать и регулировать всплески перекиси водорода, открывает путь к направленной генетической модификации растений. Селекционеры смогут «запрограммировать» эти нанопоры реагировать на такие стресс-факторы, как засуха или жара, гораздо быстрее. В результате сельскохозяйственные культуры научатся переносить экстремальные погодные условия без потери урожайности.
«Это революционное открытие значительно расширяет наш арсенал биотехнологических инструментов, — резюмирует Чонг-Юн Ли. — Теперь мы гораздо лучше подготовлены к тому, чтобы проектировать новые сорта растений и помогать им выживать в условиях постоянно меняющейся и агрессивной внешней среды».
Исследование опубликовано в журнале The Plant Cell.
Источник: University of Delaware. Фотоиллюстрация: Джеффри Си Чейз; фото предоставлены Чонг-Юн Ли.
