Растения ощущают прикосновение: учёные выяснили, как они реагируют через 60 секунд после касания

Достаточно примерно десяти лёгких касаний мягкой кисточкой. За менее чем за минуту внутри маленького растения Arabidopsis thaliana запускается цепочка белков. Если контакт повторяется со временем, эта реакция может повлиять на рост самого растения.

Международная группа учёных под руководством Университета Лунда воспроизвела один из основных механизмов реакции растений на физический контакт. Исследование, опубликованное в Nature Communications, выявило цепь белков, называемых MAP-киназа, которые активируются примерно через 60 секунд после прикосновения и вносят изменения в активность большого числа генов.

Известно, что ветер, дождь, ранения или животное, задевшее лист, способны вызывать ответ у растений. Уже более 25 лет известно, что контакт активирует некоторые MAP-киназы, белки, передающие сигналы внутри клеток. Но до сих пор не хватало важного звена: понять, как именно начальное возбуждение связано с изменениями, происходящими затем.

Десять касаний кисточкой — и растение начинает отвечать

Эксперимент получился очень простым. Учёные взяли 12-дневные ростки Arabidopsis thaliana и приблизительно десять раз прошли их мягкой кисточкой. Однако для растения эти касания далеко не безразличны. Примерно через минуту активируются MPK3 и MPK6 — две из белков, вовлечённых в цепочку, обнаруженную учёными. В то же время начинают изменяться и многие другие белки в клетках.

Уже через одну минуту исследователи выявили 160 участков белков, которые уже претерпели химические изменения. Через три минуты их стало 321, а через десять — 380. За весь период наблюдений изменения затронули 488 участков. Две белковые молекулы, именуемые MKK4 и MKK5, кажутся особенно важными. Когда учёным удалось изменить их работу, заметная часть обычной реакции на прикосновение снизилась.

Через 22 минуты активность более двух тысяч генов меняется

Ответ продолжает развиваться на уровне генов. Двадцать две минуты после прикосновения у обычных растений активность изменилась у 2032 генов. Сопоставляя эти результаты с предыдущими экспериментами, группа затем выделила 1168 генов, которые, по всей видимости, входят в состав самой быстрой реакции растений на контакт.

Многие из них зависят именно от белков MKK4 и MKK5. Когда их функционирование было нарушено, 905 генов реагировали иначе по сравнению с прочими растениями. У 779 из них активация оказалась слабее. Значительное изменение даже для того, что снаружи кажется всего лишь мазком кисти. Однако найденный механизм не объясняет все ответы: по крайней мере 215 генов, судя по всему, реагируют другими путями, ещё не идентифицированными.

Если касание продолжается, меняется и рост

Учёные затем хотели понять, приводят ли эти крайне быстрые сигналы к видимым во времени последствиям. Для этого они касались некоторые растения, выращенные в почве, два раза в день в течение 14 дней. Через две недели у обычных растений площадь листовой поверхности снизилась примерно на 38% по сравнению с теми, которым не касались.

У растений, у которых была нарушена первая часть цепи сигналов, снижение достигало около 20%. У тех, где возникали проблемы с белками MKK4 и MKK5, снижение было примерно 28%. Повторяющееся касание повлияло и на цветение: обычные растения, которые касались ежедневно, зацвели примерно на три дня позже. У некоторых модифицированных растений задержка казалась меньшей, но различие не было достаточно ясным, чтобы полностью исключить влияние случая.

Способность растений изменять своё развитие в ответ на физические раздражители называется тигмоморфогенезом. В природе ударов кисти заменяются на гораздо более частые воздействия: ветер, дождь, животные, насекомые и любой другой контакт, способный согнуть или повредить ткани.

Первый сенсор прикосновения пока не найден

thus-study восстанавливает важную часть механизма, но начало истории пока неизвестно. Что-то должно сначала воспринимать давление на лист и запускать цепочку сигналов. Учёные предполагают, что в этом могут участвовать белки на мембране клеток или другие датчики, способные реагировать на физические раздражители. Однако точно определить, каков именно этот первый сенсор, ещё не удалось.

Исследование также анализировало жасмоновую кислоту — гормон растений, вовлечённый в реакции на ранения и другие формы стресса. В первые десять минут после прикосновения растения, неспособные синтезировать её, продемонстрировали реакцию белков, весьма близкую к реакции обычных растений. Это значит, что большая часть самых ранних сигналов идёт по, по крайней мере частично, другому пути.

Университет Лунда, представляя результаты, напоминает, что мы всё ещё находимся в области фундаментальных исследований. Эксперименты проводились в основном на Arabidopsis и в контролируемых условиях. Чтобы понять, можно ли перенести эти знания в сельское хозяйство, потребуются конкретные исследования на культурах и непосредственно в полях. Пока мы знаем немного больше о том, что происходит, когда мы касаемся листа. Мы почти этого не замечаем. Растение же через минуту запускает сотни сигналов.