研究人员通过电信号揭示植物通讯的新亮点

植物中的许多生物过程与人类相似：谷类植物中的细胞和组织，包括玉米，也通过电信号进行通信。这些信号的形状和频率可以传达不同的信息。例如，它们表明植物对热和冷，过度光照强度或害虫有反应。

如果毛虫开始啃食野生植物的叶子，电信号会传播到尚未受到伤害的叶子上，从而引发反应机制：随后在整个植物中产生苦味剂或有毒物质，导致毛虫进入停止进食或杀死它们。但是出于口味的原因，已经从现代作物中培育出生产苦味物质的能力。因此，化学农药喷洒在大田作物上，以消除毛虫害虫。

来自德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-Universität(JMU)Würzburg的研究人员现已通过电信号揭示了工厂通信的新亮点。他们发现TPC1离子通道有助于植物的兴奋性。这个频道的功能以前是未知的。这一发现可能为在长期运行中对害虫，高温或干旱具有更强抗性的植物铺平道路，这些对于气候变化至关重要。

由生物物理学家Rainer Hedrich教授领导的JMU科学家现已在Nature Communications上发表他们的研究结果。Hedrich在20世纪80年代中期发现了TPC1离子通道，当时他是哥廷根诺贝尔奖获得者Erwin Neher的博士后。多年来，他对渠道进行了彻底的研究，并描述了几乎所有的属性。

赫德里希的新论文填补了另一个知识空白。已知植物的细胞膜是可兴奋的; 科学家们现在已经证明，这也适用于包围植物细胞中央液泡的膜 - 而TPC1在这里也起着关键作用。液泡是一个封闭的隔间，里面装满了水溶液，可以占植物细胞体积的90%。其主要目的是用于储存营养物的储藏室。

电信号与钙波同时发生

液泡膜中的电信号如何发展?当叶子受伤时，除了电信号之外，还在受伤的叶子中触发钙波。“这两个信号是相辅相成的，允许信号在整个植物中传播，”智利塔尔卡大学教授，Hedrich的合作者Ingo Dreyer解释道。

在具有缺陷TPC1的植物中，钙波传播更慢或根本不传播。“这一发现促使我们使用膜片钳技术研究液泡的特性，”Hedrich说。事实证明，缺乏TPC1的空泡不能通过电荷或钙增强来激发。然而，在TPC1的过度活跃的突变体中，激发持续。“这项技术和其他分析使我们能够在数学上模拟液泡行为并预测液泡通道的未知特性，”Dreyer说。

研究离子通道的结构和功能

“我们的发现对医学研究也很感兴趣，”Hedrich说。这是因为TPC1通道的亲属也已经在人类中被鉴定出来。但尚不完全了解通道在微小的膜囊泡中发挥的作用，即我们细胞的内体。因此，医学研究人员也在寻找TPC1在植物和人类中的结构和功能的共同特征。

“为了提供答案，美国科学家对我们的膜片钳测量进行了X射线结构分析，以确定通道功能的分子蓝图。这使得TPC1成为最容易理解的电压依赖性离子通道之一，”JMU教授说。

TPC1由两个相同的亚基组成。当它们组装形成一对时，它们形成一个复合物，其中心有一个离子通道，它对电压和钙离子有反应。在TPC1的细胞质末端存在钙受体以激活通道和液泡内部的另一受体。如果内部钙浓度变得太高，则通道被阻塞并且液泡失去其兴奋性。

TPC1在进化和气候变化中

“我们还问自己，钙依赖性TPC1功能何时首次在植物中发生，”Hedrich说。苔藓显然是第一个这样做的。“现在我们的目标是找出TPC1是否也对我们作物早期祖先的兴奋性负责，以及植入藻类或苔藓TPC1是否能够治愈现代作物突变体的功能失败。”

此外，研究人员发现，有些植物家族的成员在个体通道功能的发展方面表现出显着差异。他们现在想要在分子水平上理解这些差异的原因。此外，他们打算检查微小差异是否有助于植物应激适应。