Microcanalele dintre celulele vegetale reacționează la răni prin explozii de peroxid de hidrogen
Cercetătorii au descoperit că nanoporii minusculi numiți plasmodesme transmit semnale de alertă între celulele vegetale, generând o explozie masivă de peroxid de hidrogen atunci când planta este rănită.
Peroxidul de hidrogen este produs și în interiorul plantelor, unde acționează ca un mesager care le semnalează celulelor să își întărească apărarea atunci când planta este stresată, rănită sau atacată. „Peroxidul de hidrogen este implicat în aproape fiecare provocare internă și externă cu care se confruntă plantele”, a declarat Jung-Youn Lee, profesor de biologie moleculară și celulară a plantelor. „Este implicat în multe mecanisme de semnalizare diferite, dar funcția sa este localizată, ceea ce înseamnă că nu inundă celulele plantei.”
Echipa a publicat descoperirile în revista The Plant Cell, cu Niraj Kumar Vishwakarma, cercetător postdoctoral, în calitate de autor principal. Rolul acestei explozii de peroxid de hidrogen ar putea fi util în inginerarea unor culturi mai rezistente la climă.
„Culturi rezistente la climă pot fi dezvoltate prin înțelegerea modului în care plasmodesmele gestionează factorii de stres biotici, precum bacteriile și ciupercile, versus factorii abiotici, precum vremea, seceta și semnalele de rană la nivel subcelular”, a spus Vishwakarma. „Cercetătorii ar putea fin-ajusta transportul intercelular, menținând rețelele vasculare ale plantei deschise și productive chiar și în condiții de mediu severe.”
Lee a identificat în 2016 modul în care plantele gestionează stresul cauzat de alte organisme vii versus stresul cauzat de factori nevii, precum aerul, apa și solul. Semnalizarea este posibilă datorită mai multor căi prin plasmodesme — poduri minuscule între celule — care transmit semnalul mai departe.
„Dacă o plantă este mușcată de o insectă, celulele sale semnalează: «Tocmai am fost mușcată! Fii pregătită să te aperi!»”, a spus Lee. Moleculele mesagere precum peroxidul de hidrogen călătoresc prin plasmodesme pentru a alerta celulele cu privire la un pericol.
Pentru a studia mai în detaliu modul în care peroxidul de hidrogen răspunde și se deplasează prin plasmodesme, o echipă de cercetători a adaptat un instrument de raportare numit HyPer7, modificându-l genetic pentru a detecta peroxidul de hidrogen în celulele și plasmodesmele plantelor de tutun australian sălbatic și a plantei mouse-ear cress. HyPer7 se leagă de plasmodesme, iar când peroxidul de hidrogen era prezent, HyPer7 se aprindea ca o lanternă sub microscop.
Jeffrey Caplan, profesor asociat și director al Centrului de Bioimagistică, a declarat că utilizarea HyPer7 pentru plasmodesme a fost mult mai dificilă decât pentru cloroplaste. Echipa se aștepta ca plasmodesmele să imite răspunsul la peroxidul de hidrogen din citoplasmă și de la membrana plasmatică, dar a apărut un rezultat surprinzător.
„Am crezut că evenimentele de semnalizare trebuie să se producă toate în același timp când planta este rănită”, a spus Caplan. „Totuși, am văzut răspunsul lângă rană mai întâi, iar apoi plasmodesmele mai îndepărtate au răspuns ulterior. Nu au fost simultane.”
Plasmodesmele din țesutul îndepărtat și nedeteriorat au răspuns conform propriului program întârziat, comportându-se ca puncte de control care primesc o alertă la nivelul întregii plante și ajută fiecare parte a plantei să decidă cum să răspundă.
„A fost mult mai sensibil și mai rapid în răspuns comparativ cu locațiile sale cele mai adiacente din celulă — citosolul și membrana plasmatică”, a spus Caplan. Citosolul nu este un mediu prielnic pentru peroxidul de hidrogen, deoarece proteinele din acest fluid încearcă să îl distrugă.
Vishwakarma a precizat că această cercetare este prima care arată reacții în timp real ale moleculelor instabile de oxigen măsurate la nivelul plasmodesmelor. Canalele de comunicare prezintă reacții chimice celulare sensibile și servesc drept site-uri de detectare timpurie a stresului vegetal la suprafața celulei. Motivul pentru care apare acest răspuns întârziat rămâne neclar, iar cercetătorii speră să aprofundeze acest aspect în viitor.
Lee a explicat că descoperirile sunt importante deoarece, știind că plasmodesmele pot procesa explozia de peroxid de hidrogen, cercetătorii ar putea să le manipuleze genetic pentru a răspunde mai rapid la factorii de stres, precum seceta. „Aceasta se adaugă la portofoliul de instrumente pe care le putem folosi pentru a ingeneriza plante mai bine echipate sau pentru a le ajuta să supraviețuiască în aceste medii extreme în schimbare”, a spus Lee.
