Исследователи из Вюрцбургского университета показали, какие процессы запускаются в клетках ловчих листьев хищного растения венериной мухоловки (Dionaea muscipula) при поимке насекомого. Это первая работа, в которой экспериментально подтвердили теоретически установленный механизм выделения пищеварительных ферментов из мембранных пузырьков (везикул) у растений.
Венерина мухоловка, как и другие хищные растения, использует насекомых в качестве источника азота, так как обитает на почвах, в которых азота мало. Мухоловка захватывает добычу с помощью пары специальных ловчих листьев. Когда насекомое касается одного из них, они захлопываются. Растение начинает выделять ферменты, растворяющие жёсткую хитиновую оболочку жертвы и разлагающие на простые составляющие органические молекулы, из которых составлено тело насекомого.
Описанный механизм ловли насекомых растениями считается общепризнанным ещё со времён Дарвина. Тем не менее, до недавнего времени детально его никто не проверял на практике. Раскрыть тонкие клеточные и молекулярные механизмы поимки и переваривания добычи удалось только сейчас. Биофизики из Вюрцбургского университета с помощью микроэлектродов, амперометрии и магнитного резонанса проследили, что происходит в клетках ловчих листьев венериной мухоловки, когда их касается насекомое.
Пытаясь спастись, жертва неизбежно задевает чувствительные волоски на её стенках. Однако те же волоски можно активировать и дуновением ветра, и падением неживых объектов на ловчие листья. Поэтому одно касание не запускает захлопывание ловушки и последующие физиологические процессы. Нужно, чтобы чувствительные волоски были задеты по крайней мере трижды.
Sönke Scherzer/Dirk Becker
Повторяющаяся стимуляция волосков приводит к тому, что в цитоплазме несущих их клеток повышается концентрация ионов кальция. Они служат одним из важнейших передатчиков сигнала у подавляющего большинства живых организмов. В случае венериной мухоловки увеличение содержания ионов кальция приводит к тому, что в клетках ловчих листьев возникают потенциалы действия (ПД). Их механизм отличается от механизма возникновения ПД у животных, но суть таких электрических сигналов в обоих случаях одна: они запускают биохимические изменения в соседних клетках, «почувствовавших» потенциал действия.
В ловчих листьях венериной мухоловки ПД воздействуют на клетки особых пищеварительных желёз. Эти клетки образуют белки-ферменты для переваривания органических веществ, а также ионы водорода и хлора. Интересно, что те же ионы присутствуют и в желудочном соке животных, в том числе человека. Там они создают благоприятную среду для работы пищеварительных ферментов. Указанные вещества хранятся в везикулах — окружённых мембраной пузырьках — в цитоплазме.
Когда ПД от чувствительных волосков действуют на клетки «пищеварительных желёз», в последних, в свою очередь, тоже повышается содержание кальция. Это приводит к тому, что везикулы с ионами водорода и хлора, а также с пищеварительными ферментами сливаются с мембранами клеток своих желёз и высвобождают своё содержимое наружу. Таким образом вещества для переваривания добычи выходят из клеток пищеварительных желёз, попадают на насекомое-жертву и запускают в нём процессы разложения органики.
Статья об исследовании опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
