Глутатион позволяет росянке отличить настоящую муху от пластиковой

Ловушки хищных растений — это видоизмененные листья, которые привлекают, ловят и переваривают жертв (как правило, беспозвоночных). Существует два основных типа ловушек: пассивные, такие как кувшинчики непентеса или сарацении, и активные, которые реагируют на добычу и захватывают ее — например, ловушки венериной мухоловки или росянки. И если ловчий аппарат венериной мухоловки захлопывается в ответ на механическое раздражение чувствительных волосков, то клейкая ловушка росянки избирательно реагирует именно на насекомых. Китайские ученые выяснили, что эту избирательность обеспечивает глутатион (GSH) — его локальное накопление запускает сворачивание ловушки. 

Капская росянка (Drosera capensis) скручивает ловчие листья, чтобы захватить и переварить прилипших к ним насекомых. Чтобы детально исследовать этот тип ловчего аппарата, ученые скомбинировали стереомикроскопию с цифровой фотографией и покадрово записали движения листа под действием разных стимулов. 
Когда росянку кормили живой дрозофилой, в первые 10 минут происходило сильное изгибание железистых волосков, после чего начинал изгибаться и сворачиваться вокруг мухи сам лист. При этом реалистичная 3D-печатная модель дрозофилы не вызывала закрытие ловушки, а на экстракт измельченных плодовых мушек лист реагировал быстрее — изгибание наблюдалось уже через пять минут после нанесения. Авторы предположили, что вещества, постепенно высвобождающиеся из тела пойманного насекомого, стимулируют изгибание ловчего листа и запускают пищеварение у росянки. 

Учитывая, что хищные растения перешли к этой стратегии для получения дополнительного азота или фосфора, ученые проанализировали реакцию росянки на источники азота — как органические (молоко), так и неорганические (нитрат аммония). В качестве отрицательного контроля использовали этанол. При нанесении капли этанола на ловчий лист наблюдалось только локальное движение железистых волосков, а в ответ на молоко ловушка закрывалась в течение 30 минут. Сворачивание листа, на который наносили нитрат аммония, также наблюдалось, но происходило значительно медленнее.

Основываясь на известных механизмах движения растений, авторы протестировали также потенциальные лиганды ионных каналов GLR — ключевых регуляторов электрической активности и динамики кальция в клетках растений. Ни одна из 12 аминокислот не вызывала значимой реакции, а вот глутатион индуцировал изгибание листа росянки. Такая реакция не зависела от pH, то есть не была связана с концентрацией протонов.

Тогда исследователи оценили динамику эндогенного GSH при поедании насекомых. Уровень глутатиона в листьях D. capensis после кормления измеряли с помощью жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией. Через два часа после поимки насекомого GSH выраженно накапливался в области изгиба листа, однако в неизогнутых участках его концентрация оставалась сопоставимой с контролем. 

Кормление росянки с дефицитом глутатиона подтвердило его роль — растения переставали реагировать на живых или измельченных дрозофил. 
Известно, что другим важным сигналом, обеспечивающим движение листьев у хищных растений, служат ионы кальция. Ученые обработали листья росянки хлоридом лантана (III), который ингибирует приток кальция в клетки. Он дозозависимо подавлял изгибание листа в ответ на глутатион, что подтверждает роль кальция в этом процессе. 

Транскриптомный анализ ловчего листа выявил 1 576 генов, экспрессия которых повышалась при стимуляции глутатионом, и 288 генов со сниженной экспрессией. В частности, активировались гены, связанные с хищничеством растений — они включали сигнальный путь жасмоновой кислоты, управляющий закрытием ловушки секрецией пищеварительных ферментов. Измерив уровни жасмоновой кислоты и активность генов ее биосинтеза, ученые напрямую подтвердили, что GSH индуцирует выработку этого сигнального метаболита в листе росянки. 

Что интересно, авторы обнаружили сигнальную роль глутатиона и другого хищного растения — венериной мухоловки. Закрытие ее ловушки индуцируется механическими стимулами, и для срабатывания требуется минимум два касания в течение 30 секунд. Ученые показали, что глутатион активировал ловушку венериной мухоловки в обход механической стимуляции, и обнаружили на транскриптомном уровне ответ, аналогичный тому, что наблюдался у росянки.

Таким образом, глутатион служит важным сигналом, который запускает реакцию хищничества, то есть закрытие ловушки и выработку пищеварительных ферментов у D. capensis. Вероятно, эта функция консервативна, поскольку глутатион индуцирует закрытие ловушки и активирует гены, связанные с хищничеством, у венериной мухоловки, которая обладает другим типом ловчего аппарата. 

Недостаток фосфора склоняет африканскую лиану к хищничеству