Что произошло
В этом исследовании мы обнаружили растительные белки, располагающиеся на клеточной мембране, которые способны связывать гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК). Это влияет на то, как растения преобразовывают электрические сигналы, в особенности тогда, когда растения находятся в субоптимальных условиях.
Хотя ГАМК давно известна как ключевой медиатор, снижающий электрическую активность в нейронах животных, она была впервые научно описана после того, как ее экстракт был получен из растительной ткани более 60 лет назад. Мы обнаружили, что существует семейство ионных транспортных растительных белков, активность которых непосредственно регулируется ГАМК. Эти белки не имеют никакого сходства с рецепторами ГАМК у животных, кроме крошечной области, отвечающей за связывание ГАМК. Мы модифицировали эту область и отменили регуляцию протеинов ГАМК, но это не повлияло на другие функции данных белков.
Информация позволяет предположить, что, по-видимому, способность растений и животных реагировать на ГАМК скорее развивалась у них независимо, чем присутствовала у какого-то общего предка.
Мы исследовали некоторое количество химических веществ растительного происхождения, которые используются в медицинской сфере для взаимодействия с ГАМК-рецепторами животных, — некоторые из этих препаратов используются для лечения эпилепсии и депрессии. Эти химические вещества также воздействовали на ГАМК-рецепторы растений. Данные требуют переоценки роли этих веществ в природе. Находится ли их цель в растениях или они используются растениями в качестве защиты от животных? Они также показывают, что есть вероятность найти в природе и другие подобные химические вещества, которые можно применять в этой области, так как растения и животные, судя по всему, связывают ГАМК аналогичным образом.
Растения, в отличие от животных, не могут уйти от стресса. Им приходится адаптироваться к нему или погибнуть — например, начать расти иначе или изменить количество энергии, получаемой при помощи фотосинтеза. До нашего открытия ГАМК-регулирования этих белков другие исследователи установили ключевую роль некоторых членов данного семейства белков в толерантности к кислым почвам и в регуляции газообмена в растениях. В растениях находится много членов этого семейства — по крайней мере 9 в рисе и 33 в сое, а также множество отдельных членов семейства в разных тканях растений. Распознавание ГАМК-регулируемых белков, меняющих электрическую активность мембран растений, обеспечивает растениям возможность отвечать на раздражители, адаптироваться и выживать в сложных условиях.
Предыстория
ГАМК быстро увеличивается в концентрации в тканях растения, когда растение сталкивается со стрессовыми условиями окружающей среды: засухой, недостатком кислорода, кислыми почвами, экстремальными температурами, избытком соли и травоядными. Например, ползущее по листу насекомое может стимулировать выработку ГАМК за несколько секунд. Также ранее было показано, что уровни ГАМК могут направлять пыльцевые трубки к женской ткани в цветах, что важно для нормального оплодотворения. В сочетании с тем, что ГАМК была известна как ключевой нервный сигнал у животных, это дало повод для спекулятивных заявлений о том, что ГАМК может выступать в качестве сигнала у растений. Однако с того момента, как 15 лет назад был опубликован первый растительный геном, стало очевидно, что в растениях нет белков, напоминающих ГАМК-рецепторы животных. Таким образом, до сих пор не было выявлено никакого механизма, с помощью которого ГАМК могла бы выступать у растений в качестве сигнала.
ГАМК является ключевым углерод- и азотсодержащим метаболитом как у растений, так и у животных, концентрация которого может меняться очень быстро. Это делает ее идеальным соединением, для того чтобы сигнализировать об изменениях состояния в обмене веществ. Растения не имеют нервной системы, но, как и другие живые организмы, состоят из клеток, передающих электрические сигналы по мембранам. ГАМК как в растениях, так и в животных понижает возбудимость мембраны, что может служить в качестве сигнала. Белки, выполняющие эту функцию у растений и животных, достаточно сильно различаются. Но удивительно то, что растения и животные стали использовать для этого один и тот же сигнал.
Перспективы
Мы исследовали роль ГАМК-чувствительных белков в корнях пшеницы в реакции на кислые и щелочные почвы. Множество различных членов данного семейства белков присутствует в различных тканях. У нас есть проекты, исследующие роль этих белков в различных тканях в условиях стресса. Мы также изучаем, как связаны роли ГАМК в метаболизме и в передаче сигналов. Когда появилось предположение о ГАМК как о нервном сигнале у млекопитающих, возникла большая дискуссия: как она может быть сигналом, если ее концентрация в тканях настолько высокая? Ответ, судя по всему, лежит в разделении сигнала: высокая общая концентрация может заметно отличаться от концентраций в отдельных клетках или тканях. Тот же вопрос можно резонно задать и насчет растений, и на него в том числе мы продолжаем искать ответы.
