Предохранительной ячейки - Guard cell
Защитные клетки - это специализированные клетки растений в эпидермисе листьев, стеблей и других органов, которые используются для контроля газообмена. Они выпускаются парами с промежутком между ними, образующим устьичную пору. Устьичные поры являются самыми большими, когда вода находится в свободном доступе, а замыкающие клетки набухают , и закрываются, когда доступность воды критически низкая и замыкающие клетки становятся вялыми. Фотосинтез зависит от диффузии из двуокиси углерода (CO 2 ) из воздуха через устьица в ткани мезофилла . Кислород (O 2 ), образующийся как побочный продукт фотосинтеза, покидает растение через устьица. Когда устьица открыты, вода теряется из-за испарения и должна быть восполнена через транспирационный поток , при этом вода попадает в корни. Растения должны уравновешивать количество CO 2, абсорбированного из воздуха, с потерей воды через устьичные поры, и это достигается как активным, так и пассивным контролем тургорного давления замыкающих клеток и размера устьичных пор.
Функция охранной ячейки
Сторожевые клетки - это клетки, окружающие каждую стому . Они помогают регулировать скорость испарения, открывая и закрывая устьица. Свет - это главный спусковой крючок для открытия или закрытия. Каждая замыкающая клетка имеет относительно толстую кутикулу со стороны пор и тонкую напротив нее. Когда вода попадает в ячейку, тонкая сторона выпирает наружу, как воздушный шар, и увлекает за собой толстую сторону, образуя полумесяц; комбинированные полумесяцы образуют отверстие поры.
Защитные клетки содержат белки фототропина, которые представляют собой сериновые и треониновые киназы с фоторецепторной активностью синего света. Фототрофины содержат два домена датчика света, кислорода и напряжения (LOV) и являются частью суперсемейства доменов PAS. Фототропины вызывают множество реакций, таких как фототропизм, движение хлоропластов и расширение листьев, а также открытие устьиц. Примерно до 1998 года было известно немного о том, как эти фоторецепторы работали. Механизм действия фототропинов был выяснен в ходе экспериментов с бобами ( Vicia faba ). Иммунодетекция и дальний вестерн-блоттинг показали, что синий свет возбуждает фототропин 1 и фототропин 2, в результате чего протеинфосфатаза 1 начинает каскад фосфорилирования, который активирует H + -ATPase, насос, ответственный за выкачивание ионов H + из клетки. Фосфорилированная Н + -АТФаза позволяет связывать белок 14-3-3 с аутоингибиторным доменом Н + -АТФазы на С-конце. Затем серин и треонин фосфорилируются внутри белка, что индуцирует активность Н + -АТФазы. Тот же эксперимент также обнаружил, что при фосфорилировании белок 14-3-3 связывается с фототропинами до того, как H + -АТФаза будет фосфорилирована. В аналогичном эксперименте они пришли к выводу, что связывание белка 14-3-3 с сайтом фосфорилирования необходимо для активации активности Н + -АТФазы плазматической мембраны . Это было сделано путем добавления фосфопептидов, таких как Р-950, который ингибирует связывание белка 14-3-3, с фосфорилированной Н + -АТФазой и наблюдения за аминокислотной последовательностью. По мере того, как протоны выкачиваются, на плазматической мембране образовывался отрицательный электрический потенциал. Эта гиперполяризация мембраны позволила накопить заряженные ионы калия (K + ) и ионы хлора (Cl - ), что, в свою очередь, увеличивает концентрацию растворенного вещества, вызывая снижение водного потенциала. Отрицательный водный потенциал позволяет осмосу происходить в замыкающей ячейке, так что вода проникает внутрь, позволяя ячейке стать набухшей.
Открытие и закрытие устьичной поры опосредуется изменениями тургорного давления двух замыкающих клеток. Тургор замыкающих клеток контролируется перемещением большого количества ионов и сахаров в замыкающие клетки и из них. Защитные клетки имеют клеточные стенки разной толщины (их внутренняя область, прилегающая к устьичной поре, более толстая и сильно кутинизированная) и различно ориентированные микроволокна целлюлозы, заставляющие их изгибаться наружу, когда они набухают, что, в свою очередь, вызывает открытие устьиц. Устьица закрываются при осмотической потере воды, происходящей из-за потери K + соседними клетками, в основном ионами калия (K + ).
Водоотдача и эффективность использования воды
Водный стресс (засуха и солевой стресс) является одной из основных экологических проблем, вызывающих серьезные потери в сельском хозяйстве и природе. Засухоустойчивость растений опосредуется несколькими механизмами, которые работают вместе, включая стабилизацию и защиту растений от повреждений, вызванных высыханием, а также контроль того, сколько воды растения теряют через устьичные поры во время засухи. В ответ на засуху вырабатывается растительный гормон абсцизовая кислота (ABA). Идентифицирован основной тип рецептора ABA. Растительный гормон ABA вызывает закрытие устьичных пор в ответ на засуху, что снижает потерю воды растениями за счет транспирации в атмосферу и позволяет растениям избегать или замедлять потерю воды во время засухи. Использование засухоустойчивых сельскохозяйственных культур приведет к сокращению потерь урожая во время засухи. Поскольку замыкающие клетки контролируют потерю воды растениями, исследование того, как регулируется открытие и закрытие устьиц, может привести к развитию растений с улучшенным предотвращением или замедлением высыхания и большей эффективностью использования воды . Проведенное Жан-Пьером Рона исследование показывает, что АБК является спусковым механизмом для закрытия устьичного отверстия. Чтобы вызвать это, он активирует высвобождение анионов и ионов калия. Этот приток анионов вызывает деполяризацию плазматической мембраны. Эта деполяризация заставляет ионы калия в клетке покидать клетку из-за дисбаланса мембранного потенциала. Это внезапное изменение концентрации ионов вызывает сокращение замыкающей клетки, что приводит к закрытию устьиц, что, в свою очередь, снижает количество потерянной воды. Согласно его исследованиям, все это цепная реакция. Увеличение ABA вызывает увеличение концентрации ионов кальция. Хотя сначала они думали, что это совпадение, позже они обнаружили, что это увеличение кальция важно. Они обнаружили, что ионы Ca2 + участвуют в активации анионных каналов, что позволяет анионам проникать в замыкающую ячейку. Они также участвуют в предотвращении коррекции протонной АТФазы и предотвращении деполяризации мембраны. Чтобы подтвердить свою гипотезу о том, что кальций ответственен за все эти изменения в клетке, они провели эксперимент, в котором использовали белки, которые ингибируют образование ионов кальция. Если бы они предположили, что кальций важен в этих процессах, они увидели бы, что с ингибиторами они увидели бы меньше следующих вещей. Их предположение было правильным, и когда были использованы ингибиторы, они увидели, что протонная АТФаза работает лучше, чтобы сбалансировать деполяризацию. Они также обнаружили, что поток анионов в замыкающие клетки был не таким сильным. Это важно для того, чтобы ионы попали в запорную ячейку. Эти две вещи имеют решающее значение для закрытия устьичного отверстия, предотвращая потерю воды растением.
Поглощение и высвобождение ионов
Поглощение ионов замыкающими клетками вызывает открытие устьиц: открытие пор газообмена требует поглощения ионов калия замыкающими клетками. Выявлены калиевые каналы и насосы, которые действуют при захвате ионов и открытии устьичных отверстий. Высвобождение ионов из замыкающих клеток вызывает закрытие устьичных пор: были идентифицированы другие ионные каналы, которые опосредуют высвобождение ионов из замыкающих клеток, что приводит к оттоку осмотической воды из замыкающих клеток из-за осмоса , сокращению замыкающих клеток и закрытию пор устьиц ( Рисунки 1 и 2). Специализированные каналы оттока калия участвуют в высвобождении калия из замыкающих клеток. Анионные каналы были идентифицированы как важные регуляторы закрытия устьиц. Анионные каналы выполняют несколько основных функций в управлении закрытием устьиц: (a) Они позволяют высвобождать анионы, такие как хлорид и малат, из замыкающих клеток, что необходимо для закрытия устьиц. (б) Анионные каналы активируются сигналами, которые вызывают закрытие устьиц, например, внутриклеточным кальцием и АБК. В результате высвобождение отрицательно заряженных анионов из замыкающих клеток приводит к электрическому сдвигу мембраны в сторону более положительных напряжений ( деполяризация ) на внутриклеточной поверхности плазматической мембраны замыкающих клеток . Эта электрическая деполяризация замыкающих клеток приводит к активации выходящих наружу калиевых каналов и высвобождению калия через эти каналы. По крайней мере, два основных типа анионных каналов были охарактеризованы в плазматической мембране: анионные каналы S-типа и анионные каналы R-типа.
Вакуолярный ионный транспорт
Вакуоли - это большие внутриклеточные запасные органеллы в клетках растений. Помимо ионных каналов в плазматической мембране, вакуумные ионные каналы выполняют важные функции в регулировании открытия и закрытия устьиц, поскольку вакуоли могут занимать до 90% объема замыкающей клетки. Следовательно, при закрытии устьиц большая часть ионов высвобождается из вакуолей. Васкулярные K + (VK) каналы и быстрые вакуолярные каналы могут опосредовать высвобождение K + из вакуолей. Вакуолярные K + (VK) каналы активируются повышением внутриклеточной концентрации кальция. Другой тип кальций-активируемых каналов - это медленный вакуолярный канал (SV). Было показано, что каналы SV функционируют как катионные каналы, проницаемые для ионов Ca 2+ , но их точные функции у растений еще не известны.
Защитные ячейки контролируют газообмен и ионный обмен через открытие и закрытие. K + - это ион, который течет как внутрь, так и из клетки, вызывая образование положительного заряда. Малат является одним из основных анионов, используемых для противодействия этому положительному заряду, и он перемещается через ионный канал AtALMT6. AtALMT6 - это активируемый алюминием переносчик малата, который обнаруживается в замыкающих клетках, особенно в вакуолях. Было обнаружено, что этот транспортный канал вызывает приток или отток малата в зависимости от концентрации кальция. В исследовании Meyer et al. Эксперименты с патч-зажимом были проведены на вакуолях мезофилла арабидопсиса rdr6-11 (WT) и арабидопсиса, которые сверхэкспрессировали AtALMT6-GFP. В результате этих экспериментов было обнаружено, что в WT при введении ионов кальция наблюдались только небольшие токи, в то время как у мутанта AtALMT6-GFP наблюдался огромный внутренний выпрямляющий ток. Когда переносчик выбивается из вакуолей замыкающих клеток, происходит значительное снижение тока потока малата. Ток идет от огромного внутреннего тока до незначительного отличия от WT, и Мейер и др. Предположили, что это связано с остаточной концентрацией малата в вакуоли. У нокаут-мутантов также наблюдается такая же реакция на засуху, как и у WT. Не было обнаружено фенотипических различий между мутантами с нокаутом, диким типом или мутантами AtALMT6-GFP, и точная причина этого полностью не известна.
Передача сигнала
Защитные клетки воспринимают и обрабатывают внешние и эндогенные стимулы, такие как свет, влажность, концентрация CO 2 , температура, засуха и растительные гормоны, чтобы вызвать клеточные реакции, приводящие к открытию или закрытию устьиц. Эти пути передачи сигнала определяют, например, насколько быстро растение будет терять воду в период засухи. Защитные клетки стали моделью для передачи сигналов одиночными клетками. Используя Arabidopsis thaliana , исследование обработки сигналов в одиночных замыкающих клетках стало открытым для возможностей генетики . Были идентифицированы цитозольные и ядерные белки и химические посредники, которые действуют в движениях устьиц, которые опосредуют передачу сигналов окружающей среды, таким образом контролируя поступление CO 2 в растения и потерю воды растениями. Исследования механизмов передачи сигнала замыкающими клетками помогают понять, как растения могут улучшить свою реакцию на стресс, вызванный засухой, за счет уменьшения потери воды растениями. Защитные клетки также представляют собой отличную модель для фундаментальных исследований того, как клетка интегрирует различные типы входных сигналов, чтобы вызвать реакцию (открытие или закрытие устьиц). Эти ответы требуют координации многочисленных клеточных биологических процессов в замыкающих клетках, включая прием сигналов, регуляцию ионных каналов и насосов, мембранный перенос , транскрипцию , перестройки цитоскелета и многое другое. Задача будущих исследований состоит в том, чтобы приписать функции некоторых из идентифицированных белков этим разнообразным клеточным биологическим процессам.
Разработка
Во время развития листьев растений специализированные замыкающие клетки дифференцируются от «замыкающих материнских клеток». Плотность устьичных пор в листьях регулируется сигналами окружающей среды, включая повышение концентрации СО 2 в атмосфере , что снижает плотность устьичных пор на поверхности листьев у многих видов растений с помощью неизвестных в настоящее время механизмов. Генетику развития устьиц можно непосредственно изучить путем визуализации эпидермиса листа с помощью микроскопа. Было идентифицировано несколько основных контрольных белков, которые функционируют в пути, опосредующем развитие замыкающих клеток и устьичных пор.