Receptory glutaminianu u roślin

Receptory glutaminianu u roślin

E lżbieta Król, M aria Stolarz, H alina Dziubińska, K azim ierz Trębacz

Zakład Biofizyki, Instytut Biologii

Uniw ersytet Marii Curie-Skłodowskiej

Streszczenie

Badania

prowadzone

na

pobudliwych

plechach

wątrobowca

Conocephalum conicum wykazały, że podanie 5 mM roztworu glutaminianu

(Glu) bądź glicyny (Gly) w ywołuje serie potencjałów czynnościowych (AP),

którym tow arzyszy napływ wapnia do cytoplazmy pobudzonej komórki.

Otrzym ane wyniki są zgodne z istniejącą h ip o te zą że m iędzykom órkow y

signalling oparty na am inokw asach je st obecny w królestwie roślin i zwierząt.

Jak dotąd opublikowane dane eksperym entalne z rów noległych pom iarów

wew nątrzkom órkowego

stężenia

Ca"+

i

poziom u

potencjału

transm em branow ego izolowanych komórek liści (M eyerhoff et al. 2004, 2005)

lub korzenia (Dennison i Spalding 2000) dotyczą głow nie A rabidopsis thaliana,

u której to rośliny zlokalizow ano i sklonow ano geny receptora kwasu

glutam inow ego (GLR). Nasze badania po raz pierw szy wykazały istnienie

zależności między podaniem Glu a pobudzeniem u roślin niższych.

Receptory glutaminianu u roślin

Odkrycie genów receptora kwasu glutam inow ego u Arabidopsis

(ionotropic glutam ate receptor, [18]) przyczyniło się do powstania hipotezy, że

m iędzykomórkow y signalling oparty na am inokwasach powstał zanim nastąpiło

rozdzielenie się królestw roślin i zwierząt. W ykazując, że roślinne i zwierzęce

kanały receptorow e glutam inianu m ają w spólnego przodka, liczne badania na

poziom ie genetyki molekularnej potwierdziły powyższą spekulację [3, 4, 20].

Zatem, także u roślin glutam inian je st odpow iedzialny za pojaw ienie się w

cytoplazm ie pobudzonej komórki wtórnego przekaźnika, jakim są jo n y wapnia.

Pionierskie badania D ennison’a i Spalding’a [8] bezspornie to wykazały.

W iadom o obecnie, że w genomie rzodkiewnika 20 genów koduje roślinne

receptory glutam inianu (GLR). Ze względu na ich w ysoką hom ologię ze

zwierzęcym i

iGIuR-NMDA

zakłada

się,

że

wszystkie

one

są

\

-*=■ zapalenie

1

światła

X ,

4

—i - * = spadek

I

tem peratury

50 mV

R y c .l . Serie p otenc jałów cz ynnoś ciow y ch (A P) p ojaw ia ją się po po dan iu am inok w asow ych ne uroprz ek aźn ików - Gly i G lu, natom ia st pojedyncz e AP s ą efektem stym ulac ji term icz nej (nagły spadek tem pera tury z 22 do 10 °C ), św ietlnej (130 n m o lm 'V 1) lub elek tryc zne j (IV ).

niespecyficznym i

kanałam i

wapniowymi,

których

najefektyw niejszym i

inhibitoram i są: DNQX (6,7-dinitroquinoxaline-2,3-dione), CNQ X (6-cyano-7-

nitroquinoxaline-2,3-dione), MNQX (5 ,7 -dinitro-l,4-dihydroquinoxaline-2,3-

dione) oraz jon y lantanu [7, 11, 17]. Przyjęto także założenie, że kanały te są

obecne w plazm alem m ie, gdyż nikt dotąd nie wykazał ich wew nątrzkom órkowej

lokalizacji [6]. Posługując się sekwencjam i am inokwasow ym i, wyodrębniono

3 rodziny GLR, oznaczając je odpowiednio /4 /G L R l(l-4 ), /4/GLR2(l-9),

A fG LR3(l-7). W szystkie one ulegają ekspresji w ciągu życia rośliny - w

różnym czasie, w różnych jej organach i tkankach - i nie m ożna żadnej z rodzin

przypisać specyficznej lokalizacji [4]. Pomimo ogrom nego wysiłku badawczego

i potężnego zaplecza molekularnego, sklonowano dotąd tylko sześć różnych

genów GLR, zaś fizjologiczną funkcję przypisano zaledwie trzem:

•

v4töLR2.1 - w regulacji pobierania i utylizacji jonó w C a2+, K + i N a+ [14];

•

/4Æ LR1.1 - w regulacji biosyntezy kwasu abscysynow ego (ABA)

i gospodarki wodnej u roślin poddanych stresowi suszy [12, 13];

•

A/GLR3.4 - we wczesnych etapach aklim atyzacji [19, 20].

Poza wym ienionymi przykładami, próbowano wykazać zw iązek między

aktyw nością GLRs a transdukcją sygnału świetlnego [1, 18] i wzrostem

wydlużeniowym hipokotyla [1] oraz cytotoksycznością A l3+ [21].

Po podaniu Glu do korzeni Arabidopsis następow ał w zrost [Са2+]су1

m ierzony

m etodą lum inescencyjną [8]. N apływow i

Ca"+ tow arzyszyła

depolaryzacja potencjału transm em branowego kom órki, znacznie pow olniejsza

i dłużej się utrzym ująca niż zmiany w [Ca“+]cyt. O ba zjaw iska były ham owane

przez jo ny L a3+, z czego Dennison i Spalding [8] wysunęli w niosek, że

depolaryzacja pod wpływem glutam inianu jest konsekw encją napływu

kationów.

W pracach M ey erh o ffa [19, 20] prowadzono rów noległe pom iary

wew nątrzkom órkow ego stężenia Ca~+ (lum inescencyjnie) i poziom u potencjału

transm em branow ego w komórkach mezofilu (liści) Arabidopsis thaliana.

Wykazano, że am plituda depolaryzacji wywołana glutam inianem zależy od

stężenia podanego glutam inianu. Ponadto, zarówno DNQX, CNQX , MNQX jak

i La3+ znacząco upośledzały napływ wapnia. Po „pobudzeniu” następow ał okres

niepobuliwości, który trwał godzinę.

N asze badania prowadzone na pobudliw ych plechach wątrobow ca

Conocephalum conicum skupiły się wyłącznie na zm ianach potencjału

m em branowego wywołanych napływem Ca"+ do cytoplazmy [15,

16].

Wykazano, że podanie 5 mM roztworu glutaminianu (Glu) bądź glicyny (Gly)

wywołuje serie potencjałów czynnościowych (AP), (rys. 1). Po podaniu, do

roztworu om ywającego roślinę, 50 mM LaCl3, żaden bodziec nie wywoływał

_____

A - 50 mM LaCI3

50 mV

-160 mV

1 5 m M G Iu 1 5m M G Iy oziębienie ośw ietlenie 4 V

В -1 mM DNQX

oziębienie ośw ietlenie 1 V

R y c.2. W pływ inh ibito rów rec epto rów gluta m inia nu na potencjały czy nn oś cio w e w yw oływ ane różnym i bodźc am i u C on oc eph a lu m conicum:

A - 50 m M L a3+ je s t niespec yficzny m blokerem w iększ ości ka nałów ka tion ow y ch , stąd po je go pod an iu na stęp uje c ałko w ity z an ik p obu dliw ośc i - żaden bod zie c nie w y w oła AP;

В - I m M D N Q X dz ia ła sp ecyficz nie n a iG LR ham ując ge nerację A P s w yw oływ anych glutam inianem .

AP (rys. 2A), natom iast 1 mM roztw ór DNQX ham ował tylko AP wywołane

glutam inianem (rys. 2B). Składowa wapniowa potencjałów czynnościowych

rów nież nie pojaw iała się po podaniu I mM roztworu DNQX w odpow iedzi na

Glu

(DN QX

nie

hamował

wapniow ego

kom ponentu

potencjałów

czynnościowych wywoływ anych bodźcami m echanicznymi, elektrycznym i, czy

św ietlnym i). Pod w ielom a względami (zależność od siły bodźca i długi okres

refrakcji) składowa w apniow a

Conocephalum conicum przypominała

charakterystykę zmian potencjału m em branowego w opisaną u Arabidopsis

thaliana 119, 20].

5 min

-160 mV

-180

mV-I /

oziębienie

oświetlenie

1 V

R yc .3. W pływ gluta m in ia nu na potencjał spoc zynkow y i po tenc jały czyn n oś cio w e w yw oływ ane różnym i bod źcam i u C on oc eph alum conicum', gw ia zdk ą oz na czo no po ten cjały cz ynn ośc iow e w yw ołane od po w ie dn im bod źcem w obecno ści 5 m M glu tam inian u w ro ztw orz e om yw ającym .

Fizjologiczna rola pobudzenia (AP) u Conocephalum conicum została

określona dla stym ulacji elektrycznej, kiedy udało się powiązać przejście

potencjału czynnościowego ze wzrostem oddychania [10]. Poza tym wykazano,

że w reakcje obronne plechy są zaangażow ane APs [9]. Zw iązek pomiędzy AP

w odpowiedzi na glutam inian a fizjologią Conocephalum conicum nie je st nam

znany. Rola, ja k ą odgryw ają Glu i Gly w procesie pobudzenia u roślin nurtuje

wielu badaczy i je st zagadnieniem do zbadania w najbliższej przyszłości.

Poza pobudzeniem , używ ając metody w ewnątrzkom órkow ych pom iarów

potencjału błonowego, obserwowaliśm y długo trw ający wpływ Glu i Gly na

poziom potencjału spoczynkowego (RP). N asze badania w ykazały, że RP ulega

znaczącej

hiperpolaryzacji,

jeśli

w

roztworze

om yw ającym

plechę

Conocephalum conicum znajdzie się Glu bądź Gly. W raz ze wzrostem

bezwzględnej wartości RP odnotow aliśm y wzrost am plitud AP (rys. 3),

zakładając, że jest to efekt lepszego statusu energetycznego komórki

w obecności podanych am inokw asów. Troficzny w pływ Glu i Gly (obok

pobudzającego) je st dobrze znany nie tylko fizjologom roślin ale i zw ierząt [2].

Piśmiennictwo

1. B re nner ED, M artin ez -B arbo za N, C lark AP, L iang QS, Stev ens on DW , C oruz zi G M , (2000) A ra b id o ps is m uta nts re sis tan t to S(+ )-ß-m eth yl-a , ß -diam in op ro pio nic acid, a cy cad-derived glu tam a te re ce p to r agonist. P lant P hysio l, 12 4:1615-1624

2. C av alh eiro E A, O lney JW , (2 001) G lutam ate an tagonists: D e adly liaiso ns with cancer. P roc N atl A c a d Se i USA\ 98 :5 94 7 -59 48

3. C he n G -Q , C ui C , M a ye r M L , G ou au x E, (1 999) Functiona l ch ara cte riza tion o f a potassiu m - se lectiv e proka ryo tic glu tam ate receptor. N a tu r e; 402:817-821

4. C hiu J, B re nn er ED, D eSalle R, N itabach M N, H olm es T C , C oruz zi G M , (2 002) P hy loge netic a nd ex press io n a nalysis o f the g lu tam ate -re cep tor-lik e g ene fam ily in A rab idop sis thaliana. M ot B io l E vol\ 19 :1066-1082

5. C hiu J, D eSalle R, L am H -M , M eisel L, C oruzzi G, (1 999) M olec ular ev olutio n o f glutam ate recep tors: A p rim itiv e sign alin g m echan ism that e xiste d be fore plants an d anim als diverged. M o lB i o lE v o i, 16:826 0-0383

6. D a venp ort R, (2 002 ) G luta m a te recepto rs in plants. A n n B o f, 90 :5 49 -5 57

7. D e m idc hik V, E ssah PA , T es te r M, (20 04) G lutam ate activates c atio n cu rre nts in the plas m a m em brane o f A ra b id o p sis ro ot cells. Planta', 219 :16 7-1 75

8. D en niso n K, Sp a ld ing EP, (200 0) G lutam ate-gate d calcium fluxes in A ra bid opsis. P lant P hysiol; 124:15 11-1 514

9. D ziubiń ska H, Szarek I, T ręb acz К , Z aw adzki T, (1 999 ) E ffec ts o f local cu tting on pe rox idas e a ctivity in the liverw o rt C o noc eph alum conicum . P lan t P er ox id as e N ew s le tte r;

12: 3 - 8

10. D ziubiń sk a H, T rę ba cz К , Z aw adz ki T, (19 89) T he effect o f the ex citation on the rate o f resp iration in the live rw o rt C o noc eph alum conicum . P hysio l Plant', 75: 41 7 - 423

11. D ubo s C, H uggins D, G ran t GH , Knight MR, (200 3) C a m pbell M M , A role lor glycine in the gating o f plant N M D A -lik e receptors. P lant J; 35 :800 -81 0

12. K ang J, M e hta S, T uran o FJ, (2 004) T he putative glutam ate re ce pto r 1.1 (A/G L R 1.1) in A ra bidop sis th a lia n a re gula tes a bsc isic acid b io syn the sis and sign allin g to c ontrol d ev elop m en t and w ater loss. P la nt C ell P liysiol; 45 :1 38 0 -13 89

13. K ang J, T uran o FJ, (2 003 ) T he putative glutam ate re ce pto r 1.1 (/W G L R I.l) func tions as a reg u la to r o f c arb on a nd nitrogen m etabolism in A rabidop sis. P r oc N atl A c a d S ei USA-,

100 :6872-68 77

14. Kim SA, K w ak JM , Jae S-K , W ang M -H, Nam HG, (2 001 ) O ve rexp re ssio n o f the A tG luR 2 gene e nc o ding an A r a bid o ps is hom olo g o f m am m alian glu tam a te re cep tors im pa irs calciu m utiliza tion and se nsitivity to ionic stress in transgenic plants. P la n t C ell Physiol-, 42 :7 4-84 15. Kroi E, D ziubiń sk a H, T ręba cz К. (2 003) L ow -te m perature in du c ed tran sm e m b rane potential

c hang es in the live rw ort C on oc ep ha lum conicum . P lan t Cell P h ysio l, 44 :5 27 -5 33

16. Kroi E, T ręb acz К (1 999 ) C a lcium -de pend en t voltage trans ients ev oked by illu m ina tion in the liverw o rt C on oc ep h alu m conicum . P lant C ell P hysio i, 4 0:17 -24

17. L acom be B, B e cke r D, H ed rich R, C hiu J, D eSalle R, H ein em an n S, H ollm a nn M, Kw ak J, Le N overe N, N am GH , Sakm an n B, Sch roe der Jl, Spa ld ing EP, T e ster M , T u rano FJ, C oruz zi G, (2 001 ) On the identity o f plan t glutam ate recep tors . S c ie nc e ; 29 2:1 48 6 -14 87 18. Lam H-M , C hiu J, H sieh M -H , M eisel L, O livera IC, Shin M, C oruzz i G, (19 98) G lutam ate

re cep to r gen es in plants. Nature-, 396 :12 5-12 6

19. M ey erh off O, M ü ller K, R oelfsem a RM , Latz A, Lacom be В, Dietrich P, H edric h R, B ecker D, (2 004 ) A tG L R 3 .4 repre sen ts an A rabidop sis glutam ate-, to uch -, a nd co ld-sen sitive recep tor. I 3 'h In te rn a tion a l W o rk shop on P lant M em br an e B iology, M ontpellier, F rance, p 23 0

20. M e ye rho ff O, M ülle r К, R oe lfsem a RM , Latz A, L acom be В, D ietrich P, H edrich R, D ietrich P, B ecker D, (2 005 ) A /G LR .Î.4, a glutam ate re ceptor c ha nne l-lik e ge ne is sen sitiv e to touch and cold. Planta-, 2 2 2:41 8-42 7

21. Sivag uru M, Pike S, G as sm an n W, Baskin T, (2 003) A lum inium rapid ly depoly m eris es m icrotu bule s an d de p ola rise s the plas m a m em brane: E vide nce th at re spo nse s are m ediate d by a glu tam a te recep tor. P lan t C ell P hy sioi, 4 4:66 7-675

22. T u ran o FJ, P an ta GR , A llard M W , van Berkum P, (20 01) T h e pu tativ e glu tam ate rece ptors from plants are re lated to two superfam ilies o f anim al ne u ro tra n sm itter re cep tors via distinc t ev olution ary m achnis m s. M ol B iol E voi, 18:1417-1420

A dres do k o re sp o nd en cji: E lż b ieta K ró l Z akła d B iofizyki In stytut Biologii U niw ersytet M arii C urie-Skło dow skiej A kad em ick a 19 2 0 - 0 3 3 L ublin tel. (48 81) 537 59 55 e-m ail: kro lik@ b io to p.um c s.lub lin .p l