Исследователи из Института трансформационных биомолекул при Университете Нагои совместно с коллегами из Центра исследований устойчивых ресурсов RIKEN и Университета Осаки открыли механизм, с помощью которого растения распознают перекись водорода (H₂O₂) — ключевую сигнальную молекулу, участвующую в реакциях на стресс и формировании иммунитета.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что для восприятия активных форм кислорода (АФК) растения полагаются на медь-зависимую сенсорную систему, а не на предполагавшийся ранее механизм на основе цистеина.
Эта работа меняет представление о том, как растения реагируют на неблагоприятные условия окружающей среды и патогены, и может стать основой для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур. Хиноны и перекись водорода играют ключевую роль в реакции растений на патогены и неблагоприятные условия окружающей среды, и понимание того, как растения воспринимают эти молекулы, поможет в разработке стратегий по защите сельскохозяйственных культур и повышению их стрессоустойчивости.
Будучи неподвижными организмами, растения постоянно отслеживают окружающую среду с помощью рецепторов на поверхности своих клеток. Среди них есть класс рецепторов, известных как рецептор-подобные киназы, богатые лейцином, которые могут реагировать на широкий спектр стимулов. Ранее было показано, что один из таких рецепторов, CARD1, способен распознавать как хиноны, так и активные формы кислорода, такие как H₂O₂. Однако оставалось неясным, как один рецептор различает химически разные сигналы.
Исследовательская группа обнаружила, что CARD1 содержит ион меди, связанный с кластером гистидиновых остатков на своей поверхности. Этот участок с медью играет ключевую роль в обнаружении H₂O₂.
Удивительно, но остатки цистеина, которые, как считалось ранее, необходимы для восприятия H2O2, не требуются для восприятия сигнала. Вместо этого рецептор CARD1 использует медь для обнаружения H₂O₂ посредством окислительно-восстановительных реакций.
«Результаты показали, что при нарушении связывающего медь участка растения теряют способность реагировать на сигналы H₂O₂, — говорит Ануфон Лаохависит, ведущий автор исследования. — В то же время мутации в остатках цистеина практически не влияли на передачу сигналов, что указывает на то, что их основная роль — структурная, а не сигнальная».
С помощью вычислительных методов ученые предположили, что распознавание активных форм кислорода белком CARD1 может происходить за счет окисления меди (Cu⁺ в Cu²⁺) на поверхности рецептора. Такое окислительно-восстановительное изменение может либо напрямую запускать передачу сигналов, либо приводить к образованию вторичных молекул, которые активируют последующие реакции. Вполне вероятно, что для восприятия хинонов существует отдельный путь, который еще предстоит выявить.
Исследователи предоставляют первые структурные доказательства механизма восприятия ионов металлов в рецепторах плазматической мембраны растений, меняя наше понимание восприятия АФК растениями и прокладывая путь для изучения механизмов передачи сигналов АФК на основе металлов.
