Undersøgelse af molekylære komponenter, der er ansvarlige for at generere aktionspotentialet i Venus-fluefælden

For at jage fluer og andre små dyr skal Venus-fluefælden være hurtigere end sit bytte. For at gøre det har den udviklet et fangorgan, der kan lukkes på en brøkdel af et sekund og styres af de hurtigste signalnetværk, der kendes i planter. Et elektrisk signal kendt som aktionspotentialet er kernen i dette netværk. Når en flue rører ved et af de seks sansehår på Venus-fluefælden, genereres et aktionspotentiale, der aktiverer snapfælden. Et andet aktionspotentiale udløser endelig indfangningsorganet.

Det faktum, at elektriske signaler gør Venus-fluefælden i stand til at fange bytte, har været kendt i mere end 150 år. Et hold ledet af professor Rainer Hedrich, en biofysiker ved Julius Maximilians University (JMU) Würzburg, Tyskland, har nu undersøgt de molekylære komponenter, der er ansvarlige for at generere handlingspotentialet - et problem, der tidligere var uudforsket. I det aktuelle nummer af tidsskriftet Current Biology , præsenterer forskerne nu resultaterne af deres arbejde. Deres fokus er på glutamatreceptorkanaler og iontransportproteiner, der initierer aktionspotentiale og holder det i gang.

Når Venus-fluefælden bliver elektrisk exciterbar

Et grundlæggende spørgsmål for holdet var, på hvilket tidspunkt i dets udvikling Venus-fluefangerens fangeorgan bliver elektrisk exciterbart i første omgang. Svaret blev givet af førsteforfatter Sönke Scherzer:"Kun når fælden er fuldt udviklet og åbner for første gang, affyrer den sine arketypiske handlingspotentialer."

Et aktionspotentiale manifesterer sig som en forbigående afbøjning af en celles membranpotentiale - den elektriske spænding mellem indersiden og ydersiden af ​​cellen. Under et aktionspotentiale falder membranpotentialet typisk hurtigt under depolarisering, for kun at stige igen under den efterfølgende repolarisering, først over den oprindelige hvileværdi, før det langsomt nærmer sig sin oprindelige værdi igen. Venus-fluefældens aktionspotentiale varer normalt kun et til to sekunder og forplanter sig som bølge.

Til kommunikation inde i cellen såvel som mellem celler, væv og organer bruger planter desuden calciumbølger, som medieres af positivt ladet Ca ²⁺ ioner, der tjener som sekundære budbringere. "Ved at bruge fluefælder, der bar genet for et calciumion-reporterprotein, var vi i stand til at vise, at aktionspotentialer og calciumsignaler ikke kun fungerer på en koordineret måde, men også forplanter sig med samme hastighed," forklarer Rainer Hedrich.

Overraskende opdagelse i den genetiske sammensætning

Med ekspertisen fra Ines Kreuzer og Anda Iosip identificerede holdet derefter de gener, der koder for denne signalvej. "Venus-fluefælden har brug for mindre end en halv dag for at åbne sit fangstorgan for første gang," siger Kreuzer. "Vi har derfor kigget på de gener, der udtrykkes differentielt, når fælden går ind i sit excitable stadium."

Blandt de mest udtrykte gener udpegede Würzburg-teamet en glutamatreceptorkanal - en overraskende observation, siger medforfatter Manfred Heckmann, formand for fysiologi med fokus på neurofysiologi ved JMU. "Glutamat fungerer som en neurotransmitter hos mennesker. Hvis plantekanalerne rent faktisk også fungerer som glutamatreceptorkanaler, skal stimulering med glutamat udløse et calciumion-signal og et aktionspotentiale," siger Heckmann.

Fra genekspressionsprofiler til AP-modellen

Den nye indsigt opnået af Würzburg-forskerholdet tillader kun én konklusion:Tilstrømningen af ​​calciumioner starter aktionspotentialet via glutamatreceptorkanalen. Tilbage står spørgsmålet:Hvordan tager aktionspotentialet fart?

Ved nærmere undersøgelse af generne fangede en anionkanal, en kaliumkanal og en protonpumpe holdets øjne som potentielle aktører i denne proces. Med hjælp fra professor Ingo Dreyer, en tidligere JMU-stipendiat, der nu arbejder som biofysisk bioinformatiker ved University of Calca i Chile, var de i stand til at beskrive processen i detaljer.

I overensstemmelse hermed repræsenterer calciumioner, der kommer ind i fældecellerne via glutamatreceptorkanaler, tænderen. Som sekundære budbringere initierer de åbningen af ​​anionkanalerne. Anion efflux resulterer i membranpotentiale depolarisering. Depolarisering åbner igen kaliumionkanaler og starter repolariseringsfasen via kaliumudstrømning. Efterhånden som repolariseringen skrider frem, tager protonpumpen over for at returnere processen til dens oprindelige tilstand.

Venus-fluefældens komplekse handlingspotentiale

Så sammenlignet med dens ofre er aktionspotentialet for Venus-fluefælden langt mere komplekst. "Mens aktionspotentialet for mennesker og fluer kun er baseret på en natrium- og en kaliumkanal, besidder Venus-fluefælden to yderligere komponenter," forklarer Rainer Hedrich.

En slægtning til fluens kaliumkanal garanterer således sammen med protonpumpen repolarisering af aktionspotentialet i fluefælden. Natriumkanaler spiller ingen rolle i denne proces i planter. I stedet opnås depolarisering af fluefældens handlingspotentiale ved den samordnede virkning af en glutamatreceptor-calciumkanal og en calciumafhængig anionkanal.

Udsigter og fremtidig forskning

Plantens genomer koder for omkring 20 glutamatreceptorkanaler, men har ikke synapser. Hvad har planten brug for så mange receptorer til? Hvor kommer glutamatet fra under stimulering, og hvordan holdes det i hviletilstand? Hedrichs team planlægger at behandle disse spørgsmål i kommende undersøgelser. "Vi vil snart være i stand til at afklare dette ved hjælp af genetisk kodede glutamatsensorer i planter," siger Hedrich.

"Med hensyn til strukturen, funktionen og reguleringen af ​​glutamatreceptorkanaler og glutamattransportører har vi i øjeblikket flere spørgsmål end svar. Det er muligt, at evolutionen viser os vejen hertil. I meget tidlige landplanter finder vi arter med kun én glutamatreceptorkanal. Spørgsmålet er, om der er en sammenhæng mellem udviklingen af ​​disse kanaler og planters excitabilitet. Det er det, vi er fast besluttet på at finde ud af." + Udforsk yderligere

Planter under anæstesi afslører overraskende paralleller med mennesker