Японские ученые выяснили, как венерина мухоловка реагирует на малейшее движение. Ионный канал у основания сенсорных волосков растения усиливает начальные сигналы выше критического порога.
Dionaea muscipula, известная как Венерина мухоловка, — вид хищных растений из рода Дионея семейства Росянковые (Droseraceae). Она привлекает насекомых фруктовым ароматом. Приземляясь на лист, потенциальная добыча стимулирует высокочувствительные волоски, расположенные вдоль поверхности листа. При давлении, сгибающем волоски, растение смыкает листья, запирая насекомое внутри. Длинные щетинки удерживают насекомое на месте, а растение начинает выделять пищеварительные соки. Мухоловка медленно переваривает добычу. Этот процесс может длиться до пять до двенадцати дней. Потом ловушка вновь открывается, выпуская высушенную шелуху насекомого.
В 2016 году команда биофизика Райнера Хедриха (Rainer Hedrich) из Вюрцбургского университета имени Юлия-Максимилиана (Julius-Maximilians-Universität Würzburg) в Баварии (Германия) выяснила, что венерина мухоловка буквально «подсчитывает» количество прикосновений к своим листьям. Это помогает растению отличать живых насекомых от случайных маленьких камней или даже мертвых насекомых. Почувствовав первый «потенциал действия» растение не захлопывается сразу. Ловушка смыкается, лишь получив второй импульс, подтверждающий наличие живой добычи. Даже тогда растение не сразу начинает вырабатывать пищеварительные ферменты, ожидая, пока волоски не сработают еще три раза.
В 2020 году японские ученые генетически изменили венерину мухоловку, чтобы понять механизм ее кратковременной «памяти». Они внедрили ген кальциевого сенсорного белка GCaMP6, который светился зеленым, связываясь с кальцием. С помощью этого свечения они отслеживали, как меняется концентрация кальция в ответ на стимуляцию чувствительных волосков растения иглой. Исследователи пришли к выводу, что, судя по всему, изменения концентрации кальция в клетках листа — это своеобразный биохимический аналог кратковременной памяти. Однако ученые тогда не смогли определить точный механизм взаимодействия кальциевых концентраций с электрической сетью растения.
Новое исследование Хираку Суды (Hiraku Suda) и Тойоты Масацугу (Masatsugu Toyota) из Университета Сайтама (Saitama University), опубликованное в журнале Nature Communications, — продолжение работы 2020 года. Они хотели визуализировать точный момент, когда мухоловка превращает физический стимул в биологический сигнал. С помощью того же флуоресцентного кальциевого сенсорного белка они зафиксировали, как легкое сгибание волоска приводит к локальному повышению концентрации кальция вместе со слабым локальным электрическим сигналом. Более сильное касание вызывало сильный электрический импульс и волну кальция. Оба сигнала распространялись от основания волоска к листовой пластине.
Исследователи предположили, что причиной был ионный канал DmMSL10, находящийся у основания сенсорных волосков. Ученые модифицировали мухоловки, убрав этот канал. У таких растений лишь немного локально увеличивалась концентрация кальция и электрические сигналы, но они не превышали порог и не распространялись на листья. По мнению исследователей, именно ионный канал выполняет роль усилителя, который увеличивает начальные сигналы за пределами критического порога, помогая растению реагировать.
Ученые протестировали, как мухоловки будут вести себя в естественной среде. Они построили мини-экосистему, где росли как обычные, так и модифицированные растения. Внутри экосистемы муравьи могли свободно перемещаться по растениям. Когда муравьи касалось обычных растений, они обычно закрывались, но у модифицированных мухоловок эта реакция встречалась гораздо реже.
По мнению авторов, именно ионный канал DmMSL10 — ключевой механический датчик чувствительных сенсорных волосков мухоловки. Поскольку многие растения реагируют на механические раздражения, ученые предположили, что этот молекулярный механизм может работать и у других растений, а не только у венериной мухоловки.