Долгое время регуляцию плазмодесм объясняли почти исключительно каллозой: полисахарид откладывается в шейке канала — канал сужается, разрушается — канал открывается. Этот механизм действительно главный, но за последние двадцать лет стало ясно, что плазмодесма — сложный мембранный комплекс со своим набором белков и липидов, со своими рецепторами и с особыми контактами между мембранами. В этой статье рассказано о том, что известно о плазмодесмах за пределами каллозы и какими методами это узнали. Основы строения плазмодесм, симпласт и апопласт, транспорт через плазмодесмы и их роль в развитии разобраны в статье «Плазмодесмы: строение и регуляция»; здесь мы опираемся на неё.
- 1. Что нужно помнить о строении
- 2. Особая мембрана плазмодесм
- 3. Реморины и липидные рафты
- 4. Рецепторы плазмодесм
- 5. Контакты ЭПС и плазмалеммы
- 6. Плазмодесмы без рукава
- 7. Быстрые сигналы: кальций и активные формы кислорода
- 8. Цитоскелет плазмодесм
- 9. Как изучают плазмодесмы
- 10. Открытые вопросы
- 11. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Что нужно помнить о строении
Плазмодесма — канал в клеточной стенке диаметром 30–60 нм, выстланный плазмалеммой. По оси канала проходит десмотрубочка — сжатая трубочка эндоплазматической сети. Между десмотрубочкой и плазмалеммой остаётся цитоплазматический рукав, по которому движется большинство веществ. В шейке канала синтезируется и разрушается каллоза — полисахарид из остатков β-глюкозы с β-1,3-связями.
Важно, что в плазмодесме одновременно встречаются две мембраны: плазмалемма снаружи и мембрана ЭПС внутри. Они разделены расстоянием всего в несколько нанометров. Многие недавние открытия связаны именно с этой особенностью.
2. Особая мембрана плазмодесм
Плазмалемма, выстилающая канал плазмодесмы, непрерывна с плазмалеммой остальной клетки, но по составу от неё отличается. Это показали, выделив из клеток фракцию клеточных стенок с плазмодесмами и изучив её белки и липиды.
- В мембране плазмодесм больше стеринов (у растений это ситостерин, стигмастерин и другие) и сфинголипидов с очень длинными цепями жирных кислот (Гризон и соавт., 2015).
- Если снизить содержание стеринов в мембране, нарушается доставка к плазмодесмам белков, регулирующих отложение каллозы, и меняется пропускная способность каналов.
- В мембране плазмодесм есть свои белки: каллозосинтазы, β-1,3-глюканазы, закреплённые на мембране с помощью липидного «якоря», рецепторные белки, реморины.
Таким образом, мембрана плазмодесм — это особый мембранный домен: участок плазмалеммы со своим составом, который клетка поддерживает, несмотря на то что мембрана непрерывна и молекулы в ней могут двигаться.
3. Реморины и липидные рафты
В мембранах встречаются липидные рафты (микродомены) — небольшие участки, обогащённые стеринами и сфинголипидами, в которых собираются определённые белки. Мембрана плазмодесм по составу похожа на такой микродомен.
У растений маркёром таких микродоменов служат белки реморины. Они прикрепляются к внутренней стороне плазмалеммы и собираются в небольшие скопления. В 2009 году Себастьян Раффаэле с соавторами показали, что реморин картофеля накапливается в плазмодесмах и мешает распространению Х-вируса картофеля из клетки в клетку: растения с повышенным содержанием реморина заражались слабее, а с пониженным — сильнее. Транспортный белок вируса, в свою очередь, взаимодействует с реморином.
Позже выяснилось, что реморин после фосфорилирования, вызванного заражением, связывается с микродоменами мембраны и способствует отложению каллозы. Значит, реморины не закрывают каналы сами, а организуют мембрану так, чтобы в ней собрались белки, управляющие каллозой.
4. Рецепторы плазмодесм
В 2008 году Кристина Томас (Фолкнер) с соавторами описали семейство белков PDLP (от англ. plasmodesmata-located proteins — белки, расположенные в плазмодесмах). Это мембранные белки с одним трансмембранным участком; их наружная часть находится в клеточной стенке. Если таких белков в клетке синтезируется больше, плазмодесмы сужаются и переход молекул между клетками замедляется.
Один из белков этого семейства, PDLP5, синтезируется в ответ на салициловую кислоту — гормон защиты от патогенов. PDLP5 вызывает отложение каллозы в плазмодесмах, и клетки изолируются друг от друга. Растения без PDLP5 хуже справляются с бактериальной инфекцией, а растения с избытком этого белка — лучше (Ли и соавт., 2011).
Через плазмодесмы проходят и сигналы распознавания грибов. Клетки растения распознают хитин — полисахарид клеточной стенки грибов — с помощью рецепторов плазмалеммы. Один из таких рецепторов находится именно в мембране плазмодесм, и при связывании хитина он вызывает отложение каллозы и закрытие каналов (Фолкнер и соавт., 2013). Так плазмодесма сама «замечает» опасность и закрывается.
Общий вывод. Плазмодесма имеет собственные рецепторы. Сигнал о патогене может восприниматься непосредственно в мембране канала и приводить к его закрытию, не проходя через всю клетку.
5. Контакты ЭПС и плазмалеммы
Во всех эукариотических клетках есть места контакта мембран — участки, где мембрана ЭПС подходит к другой мембране (плазмалемме, мембране митохондрии) на расстояние 10–30 нм, но не сливается с ней. Мембраны в таких местах удерживаются особыми белками-«стяжками». Через места контакта передаются липиды и ионы кальция.
Плазмодесма — по сути, растянутое место контакта мембран: на всём протяжении канала десмотрубочка (ЭПС) и плазмалемма находятся рядом. Эту идею подробно обосновали Йенс Тильснер, Эммануэль Байер и соавторы (2016). В 2019 году группа Байера показала, что в плазмодесмах арабидопсиса находятся белки MCTP — белки ЭПС с несколькими участками, связывающими липиды плазмалеммы. Эти белки удерживают десмотрубочку и плазмалемму рядом. Растения, у которых не работают несколько генов этих белков, имеют нарушения развития, а белки MCTP участвуют также в переносе сигналов, управляющих меристемой.
Значит, ширина цитоплазматического рукава, а значит и пропускная способность канала, может регулироваться не только каллозой снаружи, но и тем, насколько тесно связаны мембраны внутри канала.
6. Плазмодесмы без рукава
Самое неожиданное наблюдение последних лет сделано с помощью электронной томографии — метода, позволяющего получить трёхмерное изображение тонкого среза. В 2017 году Уильям Николя, Эммануэль Байер и соавторы изучили плазмодесмы в кончике корня арабидопсиса и выделили два типа.
| Признак | Тип I | Тип II |
|---|---|---|
| Где встречается | В только что поделившихся клетках | В более зрелых клетках |
| Цитоплазматический рукав | Не виден: десмотрубочка вплотную прилегает к плазмалемме | Есть, со «спицами» между мембранами |
| Пропускная способность | Высокая — пропускают даже белки | Сходная или ниже |
Парадокс в том, что плазмодесмы типа I, у которых рукав не виден, хорошо пропускают молекулы. Это противоречит простой схеме «вещества идут по рукаву». Возможное объяснение — вещества проходят через временно возникающие просветы, а «спицы» второго типа, наоборот, ограничивают просвет. Вопрос пока не решён, и это хороший пример того, как более точный метод заставляет пересмотреть учебное представление.
7. Быстрые сигналы: кальций и активные формы кислорода
Отложение каллозы требует минут. Но плазмодесмы могут закрываться и быстрее — за секунды.
- Ионы кальция. Если повысить концентрацию Ca2+ в цитоплазме клетки, плазмодесмы закрываются за секунды; снижение концентрации их открывает. Предполагают, что кальций вызывает сокращение белков цитоскелета в канале. Кальций же активирует каллозосинтазы, поэтому вслед за быстрым закрытием может наступать более длительное — за счёт каллозы.
- Активные формы кислорода (пероксид водорода и другие). Их образование при стрессе, а также окислительно-восстановительное состояние пластид и митохондрий влияет на пропускную способность плазмодесм. Например, у арабидопсиса мутация гена тиоредоксина, работающего в пластидах, приводила к накоплению каллозы и нарушению развития меристемы корня (Бенитес-Альфонсо и соавт., 2009). Значит, состояние органоидов клетки может «сообщаться» плазмодесмам.
Кроме того, давление: если разность тургорного давления между соседними клетками становится большой (например, одну клетку повредили), плазмодесмы закрываются почти мгновенно. Механизм этого закрытия до конца не ясен.
8. Цитоскелет плазмодесм
В плазмодесмах найдены актин и миозин VIII — особый миозин растений. Если обработать клетки веществами, разрушающими актиновые филаменты, предел исключения плазмодесм увеличивается; если стабилизировать филаменты — уменьшается. Это говорит о том, что актин участвует в сужении канала. Транспортные белки некоторых вирусов разрушают актиновые филаменты и тем самым расширяют плазмодесмы.
9. Как изучают плазмодесмы
| Метод | Что даёт | Ограничения |
|---|---|---|
| Микроинъекция флуоресцентных красителей | Предел исключения по размеру | Клетку повреждают иглой, что само по себе может закрыть плазмодесмы |
| Фотоактивируемые флуоресцентные белки | Скорость перехода белка в соседние клетки без повреждения | Нужно получать трансгенные растения |
| Электронная микроскопия и томография | Строение канала, рукава, «спиц» | Только мёртвые фиксированные клетки |
| Выделение фракции плазмодесм и анализ белков (протеомика) и липидов | Состав мембраны и белков канала | Трудно отделить плазмодесмы от остальной клеточной стенки |
| Окрашивание каллозы анилиновым синим | Количество каллозы в шейках | Даёт косвенную оценку пропускной способности |
| Мутанты и трансгенные растения | Функции отдельных генов | Многие гены дублированы, эффект отдельной мутации бывает мал |
10. Открытые вопросы
- Как именно белки и РНК узнают плазмодесму и «открывают» её? Для большинства не клеточно-автономных белков механизм неизвестен.
- Как поддерживается особый состав мембраны канала, если она непрерывна с остальной плазмалеммой?
- Через какое пространство на самом деле идут вещества в плазмодесмах типа I?
- Как устроены плазмодесмы у водорослей и других групп и как они возникли в эволюции?
- Можно ли управлять плазмодесмами в сельском хозяйстве — например, повысить устойчивость к вирусам или ускорить загрузку флоэмы сахарами?
11. Для олимпиад
Плазмодесмы и межклеточные связи у других организмов
| Организмы | Структура | Что общего с плазмодесмами |
|---|---|---|
| Наземные растения, харовые водоросли | Плазмодесмы с десмотрубочкой | — |
| Бурые водоросли | Плазмодесмы без десмотрубочки | Канал в стенке, выстланный плазмалеммой |
| Грибы | Поры в перегородках гиф | Цитоплазма соседних клеток непрерывна; пора может закрываться (у аскомицетов — тельцами Воронина) |
| Животные | Щелевые контакты | Связь цитоплазмы, но через белковый канал, без мембранной трубки и без ЭПС |
| Животные (клетки иммунной и нервной системы) | Туннельные нанотрубки | Мембранные трубки, соединяющие цитоплазму клеток; могут переносить органоиды и вирусы |
Сходство плазмодесм бурых и зелёных водорослей при разном происхождении — пример конвергенции: многоклеточным организмам с жёсткими стенками нужны каналы для связи протопластов.
Как рассуждать в задачах с мутантами
В олимпиадных задачах часто описывают растение, у которого изменено количество какого-то белка, и спрашивают, как изменится транспорт. Рассуждайте по цепочке: какой белок → как он влияет на каллозу или мембрану канала → как меняется предел исключения → какие молекулы перестанут или начнут проходить → какой эффект это даст для развития, устойчивости к вирусам или транспорта сахаров.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Какие две мембраны встречаются в плазмодесме? Как они расположены относительно друг друга?
Разбор
Плазмалемма, выстилающая канал, и мембрана эндоплазматической сети, образующая десмотрубочку. Десмотрубочка проходит по оси канала, плазмалемма окружает её; между ними — цитоплазматический рукав шириной несколько нанометров, а местами мембраны сближены почти вплотную.
Задание 2
Растения картофеля с повышенным содержанием реморина заражаются Х-вирусом картофеля слабее, чем обычные. Объясните результат.
Разбор
1) Реморин накапливается в мембране плазмодесм и способствует отложению каллозы. 2) Плазмодесмы сужаются, вирусу труднее перейти из клетки в клетку. 3) Инфекция распространяется медленнее, растение успевает включить другие механизмы защиты.
Задание 3
Как связаны салициловая кислота, белок PDLP5 и устойчивость растения к бактериальной инфекции?
Разбор
1) При заражении в клетках накапливается салициловая кислота. 2) Она включает синтез PDLP5, белка мембраны плазмодесм. 3) PDLP5 вызывает отложение каллозы, плазмодесмы закрываются, клетки изолируются. 4) Это ограничивает распространение сигналов и веществ, используемых патогеном, и повышает устойчивость; мутанты без PDLP5 более восприимчивы.
Задание 4
Почему микроинъекция красителя не всегда даёт точное значение предела исключения плазмодесм? Какой метод лишён этого недостатка?
Разбор
Укол иглой повреждает клетку; в ответ в цитоплазме повышается концентрация Ca2+, может меняться тургор, откладывается каллоза, и плазмодесмы закрываются — измеренный предел окажется заниженным. Недостатка лишён метод фотоактивируемого флуоресцентного белка: белок синтезируется самой клеткой, его «включают» светом в одной клетке и наблюдают переход в соседние без повреждения.
Задание 5
Сравните способы закрытия плазмодесм с помощью ионов кальция и с помощью каллозы по скорости и длительности действия.
Разбор
Кальций закрывает плазмодесмы за секунды, и эффект обратим также быстро — при снижении концентрации Ca2+. Каллоза откладывается за минуты, а разрушается за часы, поэтому её эффект медленнее и длительнее. Часто действуют последовательно: кальций вызывает быстрое закрытие и одновременно активирует каллозосинтазы.
Задание 6
Что такое места контакта мембран? Почему плазмодесму можно рассматривать как такое место?
Разбор
Места контакта — участки, где мембрана ЭПС подходит к другой мембране на 10–30 нм без слияния, удерживаясь белками-стяжками; через них передаются липиды и ионы. В плазмодесме мембрана десмотрубочки (ЭПС) и плазмалемма проходят рядом на всём протяжении канала и связаны белками (MCTP и другими) — это протяжённое место контакта.
Задание 7 (олимпиадное)
В опыте клетки обработали веществом, разрушающим актиновые филаменты. Как изменится переход крупных молекул между клетками? Какой вывод можно сделать? Почему некоторые вирусы синтезируют белки, разрушающие актин?
Разбор
1) Предел исключения плазмодесм увеличится, и через них пройдут более крупные молекулы. 2) Вывод: актиновые филаменты участвуют в сужении канала. 3) Вирус, разрушая актин, расширяет плазмодесмы и облегчает переход своей РНК или частиц в соседние клетки.
Задание 8 (олимпиадное)
У мутанта арабидопсиса снижено содержание стеринов в плазмалемме. Предскажите, как это скажется на плазмодесмах и транспорте между клетками. Обоснуйте.
Разбор
1) Мембрана плазмодесм обогащена стеринами и сфинголипидами, это особый микродомен. 2) При снижении содержания стеринов нарушается сборка микродомена и доставка к плазмодесмам закреплённых на мембране белков, в том числе β-1,3-глюканаз и белков, управляющих отложением каллозы. 3) Следствие — нарушение регуляции количества каллозы и изменение пропускной способности каналов; в опытах наблюдалось нарушение транспорта между клетками.
Задание 9 (олимпиадное)
В только что поделившихся клетках корня арабидопсиса плазмодесмы не имеют видимого цитоплазматического рукава, но пропускают белки. Почему это наблюдение важно? Предложите гипотезу.
Разбор
1) Оно противоречит представлению, что вещества проходят только по видимому рукаву между десмотрубочкой и плазмалеммой. 2) Гипотезы: просвет возникает временно и не сохраняется при фиксации; вещества идут по пространству, которое слишком узко для разрешения метода; «спицы», появляющиеся у зрелых плазмодесм, ограничивают, а не открывают путь. 3) Для проверки нужны методы наблюдения живых клеток с высоким разрешением.
Задание 10
Сравните плазмодесмы растений и щелевые контакты животных по трём признакам.
Разбор
1) Строение: плазмодесма — канал в клеточной стенке, выстланный плазмалеммой, с десмотрубочкой ЭПС; щелевой контакт — пара белковых каналов-коннексонов в мембранах соседних клеток. 2) Размер: плазмодесма шире (30–60 нм), пропускает белки и РНК; щелевой контакт — около 1,5 нм, пропускает ионы и молекулы до 1 кДа. 3) ЭПС: в плазмодесме ЭПС соседних клеток непрерывна, при щелевом контакте — нет.
Литература
- Tilsner J., Nicolas W., Rosado A., Bayer E. M. Staying tight: plasmodesmal membrane contact sites and the control of cell-to-cell connectivity in plants // Annual Review of Plant Biology. 2016. Vol. 67. P. 337–364.
- Raffaele S. et al. Remorin, a Solanaceae protein resident in membrane rafts and plasmodesmata, impairs Potato virus X movement // The Plant Cell. 2009. Vol. 21. P. 1541–1555.
- Thomas C. L. et al. Specific targeting of a plasmodesmal protein affecting cell-to-cell communication // PLoS Biology. 2008. Vol. 6. e7.
- Nicolas W. J. et al. Architecture and permeability of post-cytokinesis plasmodesmata lacking cytoplasmic sleeve // Nature Plants. 2017. Vol. 3. 17082.
- Faulkner C. Plasmodesmata and the symplast // Current Biology. 2018. Vol. 28. P. R1374–R1378.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…