許多植物過程與人類沒有區(qū)別：谷物植物(包括玉米)中的細胞和組織也通過電信號進行通信。這些信號的形狀和頻率告訴植物不同的東西。例如，它允許它們響應熱和冷，過度的光強度或害蟲。

例如，如果毛蟲開始在野生植物的葉子上啃食，則向尚未受到傷害的葉子發(fā)送電信號，從而觸發(fā)響應機制：隨后在整個植物中產(chǎn)生苦味劑或有毒物質(zhì)一段時間后，導致毛毛蟲停止進食或殺死它。但是出于口味的原因，已經(jīng)從現(xiàn)代作物中培育出生產(chǎn)苦味物質(zhì)的能力。因此，化學農(nóng)藥噴灑在大田作物上，以消除毛蟲害蟲。

來自德國巴伐利亞州Julius-Maximilians-Universität(JMU)Würzburg的研究人員現(xiàn)已通過電信號揭示了工廠通信的新亮點。他們發(fā)現(xiàn)TPC1離子通道有助于植物的興奮性。這個頻道的功能以前是未知的。這一發(fā)現(xiàn)可能為從長遠來看更能抵抗害蟲，熱量或干旱的植物鋪平道路 - 這些特性在面對氣候變化時至關重要。

出版自然通訊

由生物物理學家Rainer Hedrich教授領導的JMU科學家現(xiàn)已在Nature Communications雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。Hedrich在20世紀80年代中期發(fā)現(xiàn)了TPC1離子通道，當時他是哥廷根諾貝爾獎獲得者Erwin Neher的博士后。多年來，他對渠道進行了徹底的研究，并描述了幾乎所有的屬性。

赫德里希的新論文填補了另一個知識空白。已知植物的細胞膜是可興奮的;科學家現(xiàn)在已經(jīng)證明，這也適用于包圍植物細胞中央液泡的膜 - 而TPC1在這里也起著關鍵作用。液泡是一個封閉的隔間，里面裝滿了水溶液，可以占植物細胞體積的90%。其主要目的是用于儲存營養(yǎng)物的儲藏室。

電信號與鈣波同時發(fā)生

液泡膜中的電信號如何發(fā)展?當葉子受傷時，除了電信號之外，還在受傷的葉子中觸發(fā)鈣波。“這兩個信號是相輔相成的，允許信號在整個植物中傳播，”智利塔爾卡大學教授，Hedrich的合作者Ingo Dreyer解釋道。

在具有缺陷TPC1的植物中，鈣波傳播更慢或根本不傳播。“這一發(fā)現(xiàn)促使我們使用膜片鉗技術(shù)研究液泡的特性，”Hedrich說。事實證明，缺乏TPC1的空泡不能通過電荷或鈣增強來激發(fā)。然而，在TPC1的過度活躍的突變體中，激發(fā)持續(xù)。“這項技術(shù)和其他分析使我們能夠在數(shù)學上模擬液泡行為并預測液泡通道的未知特性，”Dreyer說。

研究離子通道的結(jié)構(gòu)和功能

“我們的發(fā)現(xiàn)對醫(yī)學研究也很感興趣，”Hedrich說。這是因為TPC1通道的親屬也已經(jīng)在人類中被鑒定出來。但尚不完全了解通道在微小的膜囊泡中發(fā)揮的作用，即我們細胞的內(nèi)體。因此，醫(yī)學研究人員也在尋找TPC1在植物和人類中的結(jié)構(gòu)和功能的共同特征。

“為了提供答案，美國科學家對我們的膜片鉗測量進行了X射線結(jié)構(gòu)分析，以確定通道功能的分子藍圖。這使得TPC1成為最容易理解的電壓依賴性離子通道之一，”JMU教授說。

TPC1由兩個相同的亞基組成。當它們組裝形成一對時，產(chǎn)生一種復合物，其中心具有離子通道，其響應電壓和鈣離子。在TPC1的細胞質(zhì)末端存在鈣受體以激活通道和液泡內(nèi)部的另一受體。如果內(nèi)部鈣濃度變得太高，則通道被阻塞并且液泡失去其興奮性。

TPC1在進化和氣候變化中

“我們還問自己，鈣依賴性TPC1功能何時首次在植物中發(fā)生，”Hedrich說。苔蘚顯然是第一個這樣做的。“現(xiàn)在我們的目標是找出TPC1是否也對我們作物早期祖先的興奮性負責，以及植入藻類或苔蘚TPC1是否能夠治愈現(xiàn)代作物突變體的功能失敗。”

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，有些植物家族的成員在個體通道功能的發(fā)展方面表現(xiàn)出顯著差異。他們現(xiàn)在想要在分子水平上理解這些差異的原因。此外，他們打算檢查微小差異是否有助于植物應激適應。