Sygnalizacja hydrauliczna w zakładach

Sygnały hydrauliczne w roślinach są wykrywane jako zmiany potencjału wodnego organizmu spowodowane stresem środowiskowym , takim jak susza lub zranienie. Kohezyjne i rozciągające właściwości wody pozwalają na przenoszenie tych zmian potencjału wody w całej roślinie .

Rośliny reagują na bodźce zewnętrzne poprzez tigmomorfogenezę . Na przykład wygięcie pędu może spowodować zatrzymanie wzrostu na innym obszarze rośliny. Te typy nielokalnych odpowiedzi mogą być indukowane przez sygnalizację na duże odległości. Komunikacja na duże odległości w roślinach musi spełniać dwie rzeczy: po pierwsze, sygnalizacja musi następować szybko w wierzchołkowym obszarze rośliny; Po drugie, sygnał musi być odbierany w miejscu wierzchołkowym i przekształcany w fizjologiczną lub tigmorfogenetyczną. Jedną z form sygnalizacji na duże odległości są impulsy hydrauliczne z korzeni do pędów rośliny. Gałęzie i łodygi drzew zawierają mikrokanaliki, które tworzą ksylemów i służą do wzdłużnego przenoszenia wody. Bodźce, takie jak zranienie, mogą powodować napięcie i ściskanie tkanek roślinnych, co powoduje ucisk w przekroju pędu. Sygnalizacja hydrauliczna rozpoczyna się od lokalnej reakcji, takiej jak wydalanie wody, tworząc zasysanie w układzie naczyniowym. Ściśnięcie przekroju prowadzi wówczas do ogólnego wzrostu ciśnienia hydraulicznego w kanałach pędu. Ta duża zmiana ciśnienia hydraulicznego doprowadzi do aktywacji czujników hydraulicznych.

Potencjał wody

Siłą napędową ruchu wody jest gradient potencjału wody. Gradient potencjału wody jest określany przez porównanie energii potencjalnej wody z energią czystej wody w warunkach normalnych . Ten gradient potencjału wodnego musi być utrzymywany z gleby przez roślinę i do powietrza poprzez transpirację . W ksylemie woda jest transportowana w całej roślinie po rosnących różnicach potencjałów wody. Różnice te determinowane są dostępnością wody w glebie i deficytem prężności pary wodnej. Jeśli ten gradient zostanie odwrócony, translokacja wody nastąpi w przeciwnym kierunku. Potencjał wody jest kombinacją potencjału ciśnienia, potencjału osmotycznego i wkładu grawitacyjnego. Translokacja wody może być ograniczona przez opory, takie jak szparkowy , opór przepływu związany ze strukturą ksylemu itp.

Sygnalizacja dalekobieżna

Aby rośliny mogły reagować i dostosowywać się do bodźców zewnętrznych, wymagana jest sygnalizacja na duże odległości. Ogólnie rzecz biorąc, sygnalizacja na duże odległości jest definiowana jako zdolność do uzyskania szerokiej odpowiedzi, gdy stymulowany jest tylko jeden odrębny obszar. W roślinach pobieranie wody musi być ściśle kontrolowane, więc sygnalizacja na duże odległości za pomocą wskazówek hydraulicznych koordynuje rośliny nad i pod ziemią. Codzienne fizjologiczne zachowanie roślin jest ściśle kontrolowane przez sygnały hydrauliczne. Gradienty potencjałów wody są przenoszone przez instalację za pomocą sygnałów hydraulicznych. Jeśli sygnał hydrauliczny pochodzi z korzenia, spowoduje to lokalne zmiany potencjału wody, a co za tym idzie zmiany turgoru. Zmiany potencjału wody mogą być spowodowane suchą glebą, utratą wody w wyniku transpiracji lub fizycznym uszkodzeniem rośliny. Te lokalne zmiany potencjału wody są następnie szybko przesyłane na duże odległości jako sygnały hydrauliczne. Sygnalizacja hydrauliczna jest szybka i skuteczna ze względu na kohezyjne i naprężeniowe właściwości wody. Sygnały hydrauliczne mogą być propagowane w dół lub w górę, przekazując gradienty potencjału wody w całej instalacji.

Sygnały hydrauliczne można wykrywać na kilka sposobów, z których wszystkie odnoszą się do wpływu wzrostu potencjału wody na rośliny. Ponieważ woda opuszcza komórkę, następuje spadek potencjału ciśnienia i wzrost stężenia substancji rozpuszczonej. Jest to jeden ze sposobów wykrywania sygnału hydraulicznego poprzez wykrywanie środowiska osmotycznego. Wzrost potencjału wody powoduje również działanie sił mechanicznych na ścianę komórkową i błonę plazmatyczną komórki. Jest to drugi sposób wykrywania sygnalizacji hydraulicznej poprzez wykrywanie zmian sił mechanicznych działających na ścianę komórki.

Eksperymentalne metody badania sygnalizacji hydraulicznej

Teoria wiązki liniowej

biomimetyczne mogą być używane do naśladowania mikrokanalików wewnątrz gałęzi. Te syntetyczne systemy roślinne są wykonane z polidimetylosiloksanu (PDMS) i formowane w 3D jak gałęzie oraz wypełnione olejem silikonowym (o lepkości 1 Pa*s). Kanały są połączone czujnikiem różnicy ciśnień. Początkowa gałąź jest prosta, a wewnętrzne ciśnienie wody jest równe ciśnieniu atmosferycznemu |Pref-P0=0|. Impulsy hydrauliczne są następnie indukowane przez zautomatyzowane przemieszczenie silnika liniowego, tworząc zagięcie w syntetycznych gałęziach, co skutkuje wzrostem nadciśnienia (Pref), osiągając wartość |Pref-P0| lub deltaP. Powrót do stanu początkowego gałęzi spowoduje powrót wartości deltaP do 0. Zaobserwowano, że nadciśnienie rośnie kwadratowo wraz z odkształceniem zginającym. Ta odpowiedź zmienia się wraz ze zmianą sztywności belki.

Nieliniowe sprzężenie poroelastyczne

W nieliniowym układzie poroelastycznym rury sprężyste zaczynają się prosto. Podczas zginania odkształcenie sprężyste wzrasta proporcjonalnie do odległości od położenia początkowego. To indukuje energię sprężystości zginania na jednostkę objętości, która jest kwadratowo związana z promieniem poprzecznym. System obniży tę energię sprężystości, ściskając jej przekrój. Ta poprzeczna kompresja prowadzi do zmniejszenia objętości kanału, powodując globalny wzrost ciśnienia. Dlatego mechanizm generowania ciśnienia hydraulicznego wynika ze sprzężenia zginania i poprzecznego odkształcenia belki sprężystej.

Sygnalizacja hydrauliczna w gałęziach naturalnych

Louf i in. prowadził badania nad sygnalizacją hydrauliczną u 3 gatunków: P. sylvestris, Quercus ilex i P.alba. Ich odkrycia można podsumować następującymi punktami: Zginanie gałęzi prowadzi do wzrostu ciśnienia wody w ksylemie. Wielkość reakcji zależy od gatunku rośliny i warunków środowiskowych. Stwierdzono, że impulsy hydrauliczne były większe w przypadku drzew rosnących na zewnątrz o sztywniejszych właściwościach, co również dowodzi, że elastyczność odgrywa rolę w impulsach hydraulicznych.

Mechanizm

Ogólna ścieżka sygnalizacji hydraulicznej w roślinach jest podobna do ścieżki sensorycznej, zaczynając od podstawowego postrzegania sygnału przez czujnik, który następnie przekształca sygnał hydrauliczny w sygnał chemiczny: kwas abscysynowy lub ABA . Ta konwersja na sygnał chemiczny prowadzi do kontroli różnych reakcji fizjologicznych w roślinie, ponieważ ABA jest hormonem roślinnym, o którym wiadomo, że pośredniczy w wielu procesach rozwojowych roślin, w tym w wielkości organów, zamykaniu aparatów szparkowych i spoczynku w nasionach i pąkach roślin.

Sygnały hydrauliczne są wykrywane przede wszystkim jako spadki potencjału wody, zwykle spowodowane wzrostem stężenia substancji rozpuszczonej lub suszą. Ten spadek potencjału wodnego ma charakter ogólnoustrojowy i jest przenoszony przez sieć naczyniową rośliny poprzez ksylem . Woda podąża wzdłuż gradientu potencjału wody z komórek miąższu do ksylemu, ostatecznie prowadząc do zmniejszenia potencjału ciśnienia i potencjału osmotycznego w komórkach sąsiadujących z ksylemem. Czujnik hydrauliczny, który jeszcze nie jest znany, znajduje się na wewnętrznej błonie komórek miąższu i wykrywa spadki ciśnienia i potencjału substancji rozpuszczonej poprzez nieznany mechanizm. Po wykryciu niezidentyfikowany czujnik inicjuje kaskadę sygnału, prowadzącą do przejściowego uwalniania wapnia, a następnie tworzenia reaktywnych form tlenu (ROS). Proponuje się, aby te RFT kierowały się dalej do enzymów biosyntezy ABA, prowadząc do syntezy ABA w miąższu, a następnie eksportu do regionów rośliny wymagających odpowiednich odpowiedzi. Na przykład uważa się, że odpowiedź ABA na sygnał hydrauliczny z korzeni - spadek potencjału wody - dociera do komórek ochronnych, aby stymulować zamykanie aparatów szparkowych. Pomimo niezidentyfikowanego czujnika hydraulicznego i mechanizmu, którego czujnik wykrywa spadki ciśnienia i potencjału substancji rozpuszczonej w miąższu, uważa się, że to główne miejsce biosyntezy ABA dodatkowo uczestniczy jako główne miejsce percepcji sygnału hydraulicznego, niezbędnego do pośredniczenia Potencjał wody w roślinie.

ABA

Kwas abscysynowy (ABA) jest fitohormonem, który odgrywa istotną rolę w odpowiedzi roślin na warunki suszy. Podczas suszy uruchamiana jest jego biosynteza, która kontroluje wiele reakcji fizjologicznych. ABA wyzwala wzrost korzeni przy niskich stężeniach i zamyka aparaty szparkowe, aby zapobiec utracie wody w wyniku transpiracji. ABA ma zasadnicze znaczenie dla sygnałów hydraulicznych ze względu na swoją reakcję na lokalne zmiany potencjału wody. Wiadomo również, że ABA zwiększa przewodnictwo hydrauliczne poprzez zwiększenie ekspresji akwaporyny.

Czujniki hydrauliczne

Chociaż czujniki sygnałów hydraulicznych są nieznane i wciąż są badane, zasugerowano kilka potencjalnych czujników. Jednym z kandydatów na czujnik sygnału hydraulicznego był MCA1, białko błony komórkowej skorelowane z mechanosensingiem poprzez napływ wapnia u Arabidopsis thaliana . Badania wykazały, że MCA1 zwiększał stężenie wapnia w cytoplazmie w odpowiedzi na bodziec mechanosensoryczny: zniekształcenie błony komórkowej u Arabidopsis.

Innym proponowanym kandydatem na czujnik są PERK, członkowie rodziny kinaz receptorowych bogatych w prolinę, również u Arabidopsis. PERK4 szczególnie odgrywa kluczową rolę w sygnalizacji i odpowiedzi kwasu abscysynowego (ABA) i okazał się być kinazą białkową aktywowaną przez ABA i wapń. Wydaje się, że zarówno MCA1, jak i PERK4 korelują z cytoplazmatycznymi gradientami wapnia i wczesną odpowiedzią na sygnały hydrauliczne, ponieważ wiadomo, że wapń bierze udział we wczesnych reakcjach roślin na mechanosensację.

Pomimo badań nad tymi kandydatami na czujniki, udział zarówno ABA, jak i gradientu wapnia we wczesnych zdarzeniach sygnalizacji hydraulicznej szczególnie utrudniał rozróżnienie kolejności, w jakiej każda część odgrywa w ścieżce sygnalizacji hydraulicznej.

MCA1

MCA1 został zidentyfikowany jako kandydat na przepuszczalny mechanowrażliwy kanał Ca2+ u Arabidopsis thaliana. Nadekspresja białka błony komórkowej MCA1 powoduje wzrost pobierania wapnia z korzeni, co z kolei powoduje wzrost ilości wolnego wapnia w cytoplazmie. Ekspresja MCA1 w mutantach drożdży pozbawionych systemu napływu wapnia o wysokim powinowactwie również zwiększy wchłanianie wapnia.

MCA2

MCA2 jest paralogiem MCA1, który został zidentyfikowany w Arabidopsis thaliana. Technologia sekwencjonowania białek ujawnia, że ​​oba geny są w 72,7% identyczne i w 89,4% podobne pod względem sekwencji aminokwasowej, co czyni MCA2 rozsądnym genem do wykorzystania w badaniach określających funkcję MCA1 w wychwytywaniu wapnia. PCR z odwrotną transkrypcją wskazuje, że MCA2 ulega ekspresji w błonie komórkowej w liściach, kwiatach, korzeniach i łodygach. Nokaut genu MCA2 powoduje zmniejszenie pobierania wapnia przez korzenie w stosunku do typu dzikiego, co sugeruje, że gen MCA2 bierze udział w pobieraniu wapnia.

Za pomocą barwienia GUS naukowcy byli w stanie znaleźć ekspresję MCA1 i MCA2 w perycyklu i endodermie korzenia Arabidopsis. Nie zidentyfikowano ekspresji w korze lub naskórku. Wzrost poziomu wapnia w cytozolu w perycyklu i endodermie w warunkach suszy sugeruje, że komórki te odgrywają rolę w sygnalizacji wapniowej. Przestrzenna ekspresja MCA1 i MCA2 oraz zmiany stężenia wapnia w pericyklu i endodermie sugerują, że zarówno MCA1, jak i MCA2 odgrywają rolę w symplastycznym transporcie wapnia i sygnalizacji.

PERK4

Bogate w prolinę kinazy receptorowe podobne do ekstensyny 4 (PERK4) to gen wyrażany w korzeniach i kwiatach Arabidopsis thaliana, który lokalizuje się w błonie plazmatycznej i odgrywa rolę w sygnalizacji ABA. Wykorzystując analizę motywu białkowego, w PERK4 zidentyfikowano sygnał lokalizacji błonowej, domenę transbłonową i domenę kinazy wewnątrzkomórkowej. Aby zbadać rolę PERK4 i ABA, utworzono mutanty przez wstawienie T-DNA. Mutanty PERK4 wykazały spadek czułości ABA, co wpływa na kiełkowanie siewek i wzrost wierzchołków korzeni. Mutacja PERK4 powoduje obniżenie poziomu wolnego wapnia w cytozolu w korzeniach odpowiednich dla typu dzikiego. Zaproponowano funkcję PERK4 we wczesnym stadium sygnalizacji ABA, aby hamować wydłużanie korzeni poprzez zakłócanie cytoplazmatycznych gradientów wapnia.

Trwają badania

Arabidopsis thaliana był głównym systemem modelowym w poszukiwaniu czujnika hydraulicznego, jednak nie dał jeszcze pewnej odpowiedzi. Badania przesiewowe mutantów roślin dotkniętych sygnalizacją hydrauliczną były jeszcze konieczne, jak dotąd nie zgłoszono żadnych. Niektóre mutanty roślin zostały rozróżnione przy użyciu linii Arabidopsis pAtH-B6::LUC ze zmianami chorobowymi powyżej działania ABA. Ostatnie lata poprzedzające 2013 rok pokazały więcej kandydatów na czujniki hydrauliczne, takie jak osmosensory i czujniki turgoru, jednak trwają badania nad konkretną rolą, jaką mogą odgrywać w sygnalizacji hydraulicznej w roślinach.