Перевод научной статьи: Единый каркас гидромеханической сигнализации может объяснить передачу локальных и дальнодействующих сигналов у растений

Предисловие к переводу

Настоящий перевод представляет собой русскоязычную версию статьи "A unified framework for hydromechanical signaling can explain transmission of local and long-distance signals in plants", опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

А еще у нас есть подробное описание и интерпретация открытия ученых с примерами реализации и конкретным профитом для агробизнеса - простыми словами и с примерами. Рекомендуем прочитать.

Оригинальная работа выполнена коллективом исследователей и посвящена изучению механизмов передачи сигналов в растениях на большие расстояния. Авторы предлагают единый теоретический каркас, основанный на принципах пороэластической динамики, который объединяет два взаимосвязанных процесса — распространение механических волн давления и движение жидкости с переносом химических веществ. Этот подход позволяет объяснить, каким образом локальные повреждения или стимулы могут вызывать скоординированные реакции как в повреждённых, так и в неповреждённых частях растения.

Перевод выполнен с сохранением научного стиля и структуры оригинала. Все термины максимально приближены к их устоявшимся эквивалентам в русскоязычной ботанической и физиологической литературе. В случаях, когда прямого аналога в русском языке нет, оригинальные термины приведены в скобках.

Цель перевода — сделать современное научное знание доступным для русскоязычных специалистов и энтузиастов, работающих в области физиологии растений, агротехнологий и смежных дисциплин.

Значимость

Растения могут быстро преобразовывать локальные стимулы в реакции всего организма с помощью распространяющихся сигналов. Десятилетия исследований показывают, что гидромеханические процессы, включающие поток воды и передачу механических напряжений и деформаций, играют ключевую роль в передаче сигналов у растений. Однако в этой области отсутствуют предсказательные модели, которые могли бы описывать эти взаимосвязанные процессы и проверять предложенные гипотезы. В данной работе мы представляем единый подход, основанный на пороэластичной динамике, с помощью которого мы изучаем, как эти процессы могут переносить биологическую информацию, и показываем соответствие предсказаний модели наблюдаемой динамике различных сигналов. Этот подход создаёт основу для разработки будущих экспериментов, направленных на выявление различных факторов, участвующих в передаче и преобразовании сигналов.

Введение

Локальное повреждение у растений запускает сигналы, которые распространяются как локально — в пределах повреждённого листа, — так и системно через проводящую систему (сосудистые пучки) к удалённым листьям. Наше понимание механизмов инициации и распространения этого повсеместного класса сигналов остаётся неполным.

В этой работе мы разрабатываем и проверяем теоретическую структуру для распространения сигналов, которые возникают в результате гидромеханических процессов. Мы сосредотачиваемся на сигналах, вызванных быстрыми изменениями давления в ксилеме (водопроводящей ткани), которые могут быть вызваны местным повреждением или другими резкими изменениями условий. Мы исследуем, как такие изменения давления могут распространяться по растению и взаимодействовать с химическими сигналами, чтобы формировать наблюдаемые физиологические реакции.

Многочисленные исследования показывают, что повреждение листьев насекомыми, физическое повреждение или внезапные изменения окружающей среды могут вызывать быстрые физиологические реакции в отдалённых частях растения. Эти реакции включают изменения в электрической активности, концентрации ионов кальция, экспрессию генов, а также физиологические процессы, такие как закрытие устьиц или усиление защитных механизмов. Однако остаётся открытым вопрос, какие именно физические и химические механизмы отвечают за передачу сигналов на большие расстояния.

Одним из предполагаемых путей передачи является распространение химических соединений — так называемых «элиситоров» — по ксилеме с током воды. Другой возможный механизм — передача механических изменений давления, которые могут распространяться значительно быстрее, чем движение химических веществ. Эти изменения давления могут не только сами по себе передавать «механическую информацию», но и вызывать массовые потоки жидкости, способные транспортировать химические сигналы.

Мы предполагаем, что для полного понимания передачи сигналов необходимо рассматривать эти два процесса вместе, так как они могут быть взаимосвязаны и влиять друг на друга. Для этого мы предлагаем использовать подход, основанный на пороэластической динамике — теории, описывающей, как жидкости и твёрдые структуры взаимодействуют внутри пористых материалов, к которым относятся ткани растений.

Пороэластическая теория позволяет описывать, как изменения давления в жидкости, находящейся в порах (в случае растений — в ксилеме и окружающих тканях), вызывают деформацию твёрдой матрицы (клеточных стенок и тканей) и наоборот. Применяя эту теорию, можно одновременно учитывать как распространение механических волн давления, так и вызванные ими потоки жидкости, способные переносить химические вещества.

В настоящей работе мы формулируем единый теоретический подход для описания передачи сигналов в растениях, в котором оба этих процесса интегрированы в общую модель. Мы используем его для проверки гипотез о том, могут ли изменения давления, вызванные локальным повреждением, объяснить наблюдаемое распространение сигналов кальция, электрических импульсов и других физиологических реакций.

Мы сравниваем предсказания нашей модели с результатами экспериментов на различных видах растений, включая измерения механических изменений (набухание удалённых листьев), динамики концентрации цитозольного кальция и электрических сигналов. Такой подход позволяет оценить, какие механизмы наиболее вероятны в передаче сигналов, и определить ключевые параметры, которые следует измерить в будущих исследованиях.

Аннотация

Локальное повреждение тканей растения запускает каскад сигналов, которые распространяются на большие расстояния, вовлекая как повреждённые, так и неповреждённые части растения в координированный ответ. Среди множества предполагаемых механизмов передачи таких сигналов особое внимание привлекли гидромеханические процессы, при которых изменения давления в ксилеме могут вызывать как механические деформации тканей, так и движение жидкости, способное переносить химические вещества.

В этой работе мы представляем единый теоретический подход, основанный на пороэластической динамике, который описывает взаимодействие между распространением механических волн давления и потоками жидкости в проводящей системе растений. Мы показываем, что этот подход способен воспроизводить пространственно-временные характеристики, наблюдаемые в экспериментах, включая набухание удалённых листьев, динамику кальциевых сигналов и распространение электрических импульсов.

Сопоставление предсказаний модели с экспериментальными данными позволяет сделать вывод, что изменения давления, вызванные локальными повреждениями, могут распространяться по сосудистой системе и вызывать как механические, так и биохимические отклики в отдалённых тканях. Эти результаты демонстрируют, что гидромеханические процессы играют ключевую роль в передаче сигналов на большие расстояния у растений, и предоставляют основу для будущих исследований, направленных на идентификацию и количественную оценку отдельных компонентов этой передачи.

Результаты

1. Единая модель, связывающая механику и транспорт жидкости
Мы разработали модель, основанную на уравнениях пороэластической динамики, чтобы описать, как локальное изменение давления в ксилеме распространяется вдоль проводящей системы растения. Модель учитывает:

1. механические деформации тканей, вызванные изменением давления;

2. перемещение жидкости в результате этих изменений;

3. транспорт растворённых веществ с потоком жидкости.

Мы применили эту модель для симуляции различных сценариев, включая повреждение листа, подачу давления в стебель и локальное изменение осмотических условий.

2. Сравнение с экспериментальными данными по набуханию листьев
В экспериментах, где измеряли изменение толщины удалённых листьев после повреждения одного из листьев, было показано, что реакция начинается через несколько секунд и достигает максимума за минуты. Наша модель воспроизводит эту динамику, если предположить, что механическая волна давления распространяется со скоростью порядка 1–10 м/с, а движение жидкости медленнее и продолжается дольше.

3. Связь с кальциевыми сигналами и электрическими импульсами
Модель также воспроизводит временные задержки и скорости распространения кальциевых сигналов, измеренные в живых растениях, а также характер электрических изменений потенциала. Это поддерживает идею, что механическое изменение давления может служить «триггером» для активации кальциевых каналов и электрических ответов в клетках, находящихся далеко от места повреждения.

4. Влияние анатомических и гидравлических параметров
Чувствительный анализ модели показал, что ключевыми параметрами, определяющими скорость и масштаб передачи сигналов, являются:
– модуль упругости тканей;
– гидравлическая проводимость ксилемы;
– осмотическая проницаемость мембран.
Изменение этих параметров в пределах, известных для разных видов растений, может существенно менять как скорость, так и амплитуду ответной реакции.

5. Взаимодействие механических и химических сигналов
Наша модель показывает, что механическая волна давления и связанный с ней поток жидкости могут действовать совместно для передачи сигнала. Механическое воздействие способно быстро активировать механочувствительные ионные каналы в клетках, что запускает каскад реакций — в частности, выброс кальция в цитозоль.

Параллельно движение жидкости переносит растворённые химические вещества (возможные «элиситоры»), которые могут усиливать или поддерживать физиологическую реакцию в течение длительного времени. Такой комбинированный механизм объясняет, почему в экспериментах часто наблюдаются две фазы отклика:
– быстрая фаза — возникает за секунды и обусловлена механической активацией;
– медленная фаза — развивается за минуты и поддерживается химическим транспортом.

6. Прогнозы для разных сценариев повреждений
С помощью модели мы протестировали, как будет меняться передача сигналов при разных типах локальных воздействий:
– механическое повреждение листа;
– укол или разрез стебля;
– локальное изменение осмотического давления (например, попадание концентрированного раствора).

Результаты показывают, что скорость и интенсивность передачи сигнала зависят не только от места воздействия, но и от того, какие ткани вовлечены. Например, повреждение, напрямую связанное с ксилемой, запускает более мощный и быстрый отклик, чем повреждение, затрагивающее только мезофилл листа.

7. Масштабируемость модели
Мы показали, что наш подход можно применять как для описания сигналов в небольших растениях (травянистые виды), так и для крупных (деревья), просто меняя геометрические и гидравлические параметры. Это даёт возможность использовать модель для прогнозирования поведения самых разных видов в ответ на повреждения.

Обсуждение

В нашей работе мы представили единый теоретический каркас для описания того, как локальные изменения давления в сосудистой системе растений могут приводить к распространению сигналов на большие расстояния. Модель, основанная на пороэластической динамике, объединяет два ключевых процесса:

1. распространение механических волн давления,

2. движение жидкости и перенос растворённых веществ.

Такой подход позволяет объяснить целый спектр наблюдаемых физиологических явлений — от быстрого набухания удалённых органов до динамики кальциевых сигналов и электрических изменений мембранного потенциала.

Ключевые выводы

– Изменения давления, вызванные локальным повреждением, могут распространяться со скоростями, достаточными для активации механочувствительных каналов в удалённых клетках.
– Поток жидкости, следующий за механической волной, может переносить химические сигнальные молекулы («элиситоры»), поддерживая длительный физиологический ответ.
– Комбинированное действие этих двух механизмов объясняет наличие быстрой и медленной фаз реакций в экспериментах.

Сравнение с альтернативными гипотезами

Ранее предлагалось, что передача сигналов в растениях на большие расстояния может происходить исключительно за счёт электрических волн или только химического транспорта по флоэме. Наши результаты показывают, что гидромеханические процессы в ксилеме способны играть не менее важную, а в некоторых случаях и ведущую роль.

Практическое значение

Понимание механизма передачи сигналов открывает новые возможности для управления физиологическим состоянием растений. Например, искусственное создание контролируемых изменений давления или подача определённых химических веществ в ксилему может использоваться для стимуляции защитных реакций или ускоренного роста без прямого повреждения тканей.

Направления для будущих исследований

– количественное измерение параметров, определяющих скорость и амплитуду передачи сигналов (упругость тканей, гидравлическая проводимость, проницаемость мембран);
– выявление конкретных химических веществ, участвующих в медленной фазе отклика;
– тестирование модели на широком спектре видов растений и в различных экологических условиях.