Jak se mucholapka zavírá?

Japonští botanici zjistili, že důvodem bouchnutí do pasti masožravé mucholapky Venuše (Dionaea muscipula) přímo souvisí s koncentrací vápenatých iontů v jeho listové čepeli. K tomu vědci vyvinuli transgenní Dionaea, jejíž genom exprimuje senzor vápníkových iontů. Právě z toho bylo možné zjistit, že pokud vápník v rostlinných buňkách nedosáhne prahové hodnoty do 30 sekund, past se nezhroutí a nebude schopna oběť chytit. Informuje o tom časopis Přírodní rostliny.

Je známo, že schopnost rychlých pohybů se již více než jednou rozvinula u kvetoucích rostlin. Tedy listy masožravé rostliny Venus mucholapka z rodu Dionaea jsou schopni se rychle zhroutit a zachytit hmyz. Past je spuštěna jemnými citlivými chloupky na povrchu listů. K tomu potřebují chloupky přijímat dva po sobě jdoucí mechanické podněty s intervalem ne delším než 30 sekund. Zřejmě v tomto procesu, stejně jako v případě pohybu jiných rostlin, hraje důležitou roli právě vápník.

Vědci z National Institute of Fundamental Biology of Japan pod vedením profesora Mitsuyasu Hasebe se rozhodli přesně prozkoumat, jak rychle působící mechanismus souvisí s dynamikou vápníku uvnitř rostliny. K tomu vyšlechtili pět transgenních mucholapek Venuše, jejichž genom exprimuje senzorový protein citlivý na přítomnost vápníku. Vědcům se podařilo ke stejnému proteinu připojit fluorescenční fragment, podle jehož jasu bylo možné odhadnout stupeň koncentrace a rychlost distribuce vápníku.

Poté vědci mechanicky stimulovali smyslové chloupky na povrchu transgenní rostliny a sledovali fluorescenci v jejích listech. Již 0,02 sekundy po prvním doteku tedy začala vlasová báze, kde se nacházejí smyslové buňky generující akční potenciály, jasněji zářit. Postupem času se intenzita záře stále zvyšovala a fluorescenční signál se začal radiálně šířit z místa kontaktu do okolní tkáně listů.

Když přední část vlny šíření vápníku dosáhla dalších, nestimulovaných smyslových chloupků, začaly také zářit. To vysvětluje, proč se past spouští dotykem jakéhokoli chloupku na rostlině, nejen toho, který dostal počáteční podnět.

Dynamika vápenatých iontů byla poté sledována po druhém dotyku. Experiment ukázal, že rostlinné buňky jsou skutečně citlivější na druhý signál. Bylo to po opakovaném mechanickém působení, kdy koncentrace vápenatých iontů dosáhla prahové hodnoty, po které se past nevyhnutelně spustila. Je důležité, aby k druhému dotyku došlo nejpozději 30 sekund po prvním. Vědci prokázali, že při pozdějším opakovaném podnětu již nával vápníkové vlny po prvním dotyku klesá a koncentrace iontů se stává nedostatečnou, aby rostlina oběť uchopila.

Autoři článku také porovnávali úroveň uvolňování vápníku při podráždění smyslových chlupů s vápníkem, který vychází z cytosolu buňky při poranění kořenů rostlin. V prvním případě se vlna šíření vápenatých iontů pohybovala minimálně o řád rychleji (v průměru 53 milimetrů za sekundu a 1,2 milimetru za sekundu). Zde se zřejmě aktivují určité buněčné paměťové mechanismy, které dosud nedostaly přesvědčivé vědecké vysvětlení. Je známo, že v evoluci rostlin vzniklo mnoho adaptačních mechanismů, které lze nazvat zapamatováním vnějších vlivů. Patří sem například aklimatizace na drsné povětrnostní podmínky, získaná odolnost vůči patogenům a jarovizace.

Studie otevírá cestu k dalšímu studiu role vápenatých iontů v rozvoji schopnosti rychlého pohybu u masožravých rostlin a také k hledání vztahu mezi mechanickou stimulací a šířením akčních potenciálů v jejich smyslových buňkách.

Dříve jsme řekli, jak další slavná masožravá rostlina, Nepenthes gracilis, dokáže využít energii padajících dešťových kapek k zachycení své kořisti.

Mucholapka Venušina je mimořádně zajímavá rostlina. Své oběti (drobný hmyz, pavoukovci atd.) zachycuje pomocí upravených listů. Na jejich povrchu jsou speciální chloupky, které reagují, pokud se něco dostane na povrch listu. Okraje listů se rychle stočí a oběť se ocitne v pasti, která malého tvorečka postupně promění v potravu pro rostlinu.

Muškař potřebuje živočišnou potravu k doplnění zásob dusíku – obvykle se objevuje v oblastech s bažinatými oblastmi, jejichž půda je chudá na dusík. Jak ale může rostlina, která nemá svaly a nervovou soustavu, nejen něco uchopit, ale také si „pamatovat“, že uvnitř listu je oběť a nestojí za to ji rozbalit?

Jak funguje uchopovací mechanismus

Před pár měsíci zveřejnili biologové z univerzity ve Würzburgu výsledky studie o mechanismu, jakým rostlina zachycuje kořist. Jak se ukázalo, rostlina „umí počítat“. Faktem je, že nejčastěji se list, na kterém se něco objevilo, spustí až po druhém dotyku. Faktem je, že mucholapka Venuše vynakládá mnoho prostředků na vysokorychlostní ohýbání listu, takže je nepřijatelné plýtvat energií při reakci na vítr, prach, oblázky atd. a dotýkat se citlivých vlasů.

Mucholapka Venuše čeká na druhý dotek a teprve potom list zmáčkne. Mechanismus funguje nejúčinněji, když se hmyz dotkne chloupků umístěných na okrajích listu a poté se objeví ve středu. Podle vědců mají chloupky kumulativní účinek.

Chloupky senzoru jsou schopny vnímat sílu dokonce 0,05 millinewtonu. Doba spouštění pasti závisí na síle kontaktu a směru, ve kterém síla působí.

Díky tomu je mucholapka schopna ulovit nejen pomalý hmyz a členovce – brouky, housenky, dřevomorky, ale i rychlé, kteří dokážou odletět – mouchy a komáry. Navíc, čím hladovější je rostlina, tím rychleji reaguje mechanismus stlačení listů.

A to není vše

List pasti se okamžitě úplně neuzavře a nezačne produkovat trávicí enzymy. K zahájení tohoto procesu je potřeba pět pobídek. Němečtí vědci se domnívají, že toto chování lze přirovnat k základní analýze nákladů a možných výsledků. Čím více pobídek, tím pravděpodobnější bude výroba, a to rozhodně stojí za námahu. Pokud „analýza“ ukáže, že oběť nestojí za energii a enzymy na ni vynaložené, pak je hmyz nebo oblázek po 12 hodinách vyhozen jako list.

Všechno by bylo v pořádku, ale nabízí se otázka: jak přesně umí mucholapka počítat? Bylo by hezké, kdyby se prostěradlo zhroutilo už po 1 dotyku. To ale udělá minimálně po 2 dotecích a produkce enzymu a konečná komprese začíná po 5 dotecích. A to je schopnost „počítat“ a „analyzovat“. Němečtí vědci se rozhodli zjistit, jak tento mechanismus funguje.

K tomu zavedli do závodu fluorescenční senzor vápníku. Jak se ukázalo, je to změna koncentrace vápníku, která nějakým způsobem ovlivňuje „paměť“ rostliny. Dříve vědci nebyli schopni zjistit, jak přesně koncentrace vápníku ve tkáni koreluje s „skóre“, ale nyní se vše vyřešilo.

Němcům pomohli japonští vědci, kteří vyvinuli specializovaný lék GCaMP6. Je to luminiscenční organická látka, která zeleně září, když se naváže na vápník. Právě tato zelená fluorescence umožnila týmu sledovat změny koncentrace vápníku v reakci na stimulaci citlivých chloupků rostliny jehlou.

Před použitím fluorescenční látky se vědci pokusili zjistit mechanismus „paměti“ rostliny pomocí jiných metod, přičemž na to strávili 2.5 roku. Ale až teď jsme se vše dozvěděli.

Jak je to tedy s vápníkem?

První dotyk na citlivé chloupky mucholapky nastartuje mechanismus uvolňování vápenatých iontů na určitou úroveň. Pokud dojde během 30 sekund k dalšímu dotyku, koncentrace vápníku dosáhne kritické úrovně, po které se past spustí. Pokud se po půl minutě nic nestane, koncentrace vápníku začne klesat. Můžeme říci, že mucholapka si události „pamatuje“ po dobu 30 sekund.

Nyní vědci plánují dovést svůj výzkum k logickému závěru a studovat souvislost mezi koncentrací vápníku a „nervovým systémem“ mucholapky. Převádí pohyb kořisti na elektrické signály, které procházejí buňkami.

Výsledkem je, že vědci plánují studovat evoluční proces rostlinných predátorů a dozvědět se více o mechanismech, které jsou základem lovu. Dosud zůstává mnoho biologických rysů rostlin a zvířat záhadou a úkolem vědců je rozluštit. Mimochodem, všechny rostliny s lapacími listy mají jednoho společného předka – rostlinu, která nelovila živočišnou potravu. Ale v jeho genomu byly některé oblasti, které byly použity k detekci a absorpci živin nejen kořeny, ale také listy, takže se tyto oblasti vyvinuly v něco jiného o něco později. Podobný mechanismus se vyvinul u predátorských rostlin, které pěstují leknínové pasti bez prvků, které aktivně reagují na oběti.