Совместные исследования биофизиков ННГУ и МГУ
Харовые водоросли – это древние растительные организмы, широко распространенные в пресноводных водоемах и, реже, в водоемах с соленой водой. Необычной особенностью харовых водорослей является огромный размер отдельных клеток, которые могут достигать до 1 мм диаметром и до нескольких см длиной. Такая особенность делает харовые водоросли уникальным объектом для исследования внутриклеточных сигналов, которые связаны с появлением сигнальных молекул в одних участках клетки (например, при прикосновении или освещении) и их распространением в другие участки. Распространяясь, внутриклеточные сигналы вызывают различные физиологические ответы, включая изменение фотосинтеза и дыхания.
Опубликованная в начале 2018 года в международном научном журнале Functional Plant Biology работа межвузовского коллектива, включающего сотрудников кафедры биофизики МГУ Александра Булычева и Анну Комарову и сотрудника кафедры биофизики ННГУ Владимира Сухова, посвящена одному из аспектов проблемы внутриклеточной сигнализации – роли движения цитоплазмы в передаче сигнальных молекул внутри клетки харовой водоросли. Хорошо известно, что заполняющая живые клетки цитоплазма практически непрерывно движется, останавливаясь только в стрессовых условиях. Исследователями была выдвинута гипотеза, что такое движение может участвовать в переносе сигнального соединения внутри клетки.
Для проверки предложенной гипотезы, небольшой участок харовой клетки освещали светом низкой интенсивности, который активировал фотосинтетические процессы и усиливал флуоресценцию в зоне освещения. Дальнейшее исследование показало, что усиление флуоресценции наблюдалось не только в освещенном участке, но также в затемненных частях растения, которые находились дальше от освещенной зоны по направлению движения цитоплазмы. Напротив, участки, которые предшествовали освещенной зоне, не меняли своей флуоресценции. Такой результат показывает, что даже слабое освещение вызывало образование сигнальных молекул в освещенном участке; возникающие молекулы распространялись вместе с движением цитоплазмы, влияя на фотосинтез и усиливая флуоресценцию в других частях клетки харовой водоросли. В ходе дополнительной проверки выдвинутой гипотезы, на клетку действовали электрическим током, что вызывало временную остановку движения цитоплазмы. В этих условиях, распространение сигнала существенно замедлялось непосредственно после действия электрического тока, а с течением времени – снова достигало начальной скорости. Наконец, обработка харовых клеток цитохалазином – веществом, которое замедляет поток цитоплазмы, приводила к постепенному уменьшению скорости распространения сигнала.
По словам Владимира Сухова, на основании экспериментальных результатов была разработана математическая модель, которая описывала распространение внутриклеточного сигнала при различной скорости движения цитоплазмы; модель также учитывала процесс диффузии молекул сигнального соединения.
«Предложенная модель хорошо описывала экспериментальные результаты и позволяла предсказывать эффективность передачи сигнала в различных условиях, включая различные скорости движения цитоплазмы», – отметил Владимир Сухов.
Полученные результаты имеют важное фундаментальное значение, так как впервые показано, что движение цитоплазмы может играть существенную роль в передаче внутриклеточных сигналов у растений, и предложена математическая модель, позволяющая количественно описать такое распространение. В то же время, результаты работы коллектива имеют и значительные прикладные перспективы. Так внутриклеточные сигналы играют важную роль в адаптации растений к действию неблагоприятных факторов, а значит, умение регулировать их дает дополнительный инструмент для управления устойчивостью и урожаем сельскохозяйственных растений. Опубликованные в Functional Plant Biology данные показывают новую потенциальную «точку приложения» для разработки методов управления внутриклеточными сигналами – регуляцию скорости движения цитоплазмы.
Конечно, практическая реализация таких методов является достаточно сложной задачей, так как для ее достижения нужно предварительно убедиться, что движение цитоплазмы играет важную роль во внутриклеточной сигнализации не только у харовых водорослей, но также у сельскохозяйственных растений, которые наиболее интересны с практической точки зрения. Кроме того, нужно найти способы эффективного управления таким движением в условиях поля или теплицы. Важным инструментом для решения последней задачи может стать предложенная математическая модель, так как ее анализ позволит прогнозировать – как именно нужно менять параметры движения цитоплазмы, чтобы получить необходимый прикладной результат.
В целом, биофизики Университета Лобачевского и МГУ им. М.В. Ломоносова сделали важный шаг в понимании того, как регулируются внутриклеточные сигналы у растений, и фундаментальной основы для создания принципиально новых механизмов регуляции сигнальных процессов и адаптации растений.
