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研究离子通道的结构和功能

许多植物过程与人类没有区别:谷物植物(包括玉米)中的细胞和组织也通过电信号进行通信。这些信号的形状和频率告诉植物不同的东西。例如,它允许它们响应热和冷,过度的光强度或害虫。

例如,如果毛虫开始在野生植物的叶子上啃食,则向尚未受到伤害的叶子发送电信号,从而触发响应机制:随后在整个植物中产生苦味剂或有毒物质一段时间后,导致毛毛虫停止进食或杀死它。但是出于口味的原因,已经从现代作物中培育出生产苦味物质的能力。因此,化学农药喷洒在大田作物上,以消除毛虫害虫。

来自德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-Universität(JMU)Würzburg的研究人员现已通过电信号揭示了工厂通信的新亮点。他们发现TPC1离子通道有助于植物的兴奋性。这个频道的功能以前是未知的。这一发现可能为从长远来看更能抵抗害虫,热量或干旱的植物铺平道路 - 这些特性在面对气候变化时至关重要。

出版自然通讯

由生物物理学家Rainer Hedrich教授领导的JMU科学家现已在着名期刊“自然通讯”上发表了他们的研究成果。Hedrich在20世纪80年代中期发现了TPC1离子通道,当时他是哥廷根诺贝尔奖获得者Erwin Neher的博士后。多年来,他对渠道进行了彻底的研究,并描述了几乎所有的属性。

赫德里希的新论文填补了另一个知识空白。已知植物的细胞膜是可兴奋的;科学家现在已经证明,这也适用于包围植物细胞中央液泡的膜 - 而TPC1在这里也起着关键作用。液泡是一个封闭的隔间,里面装满了水溶液,可以占植物细胞体积的90%。其主要目的是用于储存营养物的储藏室。

电信号与钙波同时发生

液泡膜中的电信号如何发展?当叶子受伤时,除了电信号之外,还在受伤的叶子中触发钙波。“这两个信号是相辅相成的,允许信号在整个植物中传播,”智利塔尔卡大学教授,Hedrich的合作者Ingo Dreyer解释道。

在具有缺陷TPC1的植物中,钙波传播更慢或根本不传播。“这一发现促使我们使用膜片钳技术研究液泡的特性,”Hedrich说。事实证明,缺乏TPC1的空泡不能通过电荷或钙增强来激发。然而,在TPC1的过度活跃的突变体中,激发持续。“这项技术和其他分析使我们能够在数学上模拟液泡行为并预测液泡通道的未知特性,”Dreyer说。

研究离子通道的结构和功能

“我们的发现对医学研究也很感兴趣,”Hedrich说。这是因为TPC1通道的亲属也已经在人类中被鉴定出来。但尚不完全了解通道在微小的膜囊泡中发挥的作用,即我们细胞的内体。因此,医学研究人员也在寻找TPC1在植物和人类中的结构和功能的共同特征。

“为了提供答案,美国科学家对我们的膜片钳测量进行了X射线结构分析,以确定通道功能的分子蓝图。这使得TPC1成为最容易理解的电压依赖性离子通道之一,”JMU教授说。

TPC1由两个相同的亚基组成。当它们组装形成一对时,产生一种复合物,其中心具有离子通道,其响应电压和钙离子。在TPC1的细胞质末端存在钙受体以激活通道和液泡内部的另一受体。如果内部钙浓度变得太高,则通道被阻塞并且液泡失去其兴奋性。

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