Строение плазмодесм и их расположение в растительных клетках- Плазмодесмы позволяют молекулам перемещаться между растительными клетками через симпластический путь.
Плазмодесмы (единственное число: плазмодесмы ) представляют собой микроскопические каналы, которые пересекают клеточные стенки растительных клеток [2] и некоторых водорослевых клеток, обеспечивая транспорт и связь между ними. Плазмодесмы развивались независимо в нескольких линиях [3] , и виды, которые имеют эти структуры, включают представителей Charophyceae , Charales , Coleochaetales и Phaeophyceae (которые все являются водорослями), а также все эмбриофиты , более известные как наземные растения. [4] В отличие от животных клеток , почти каждая растительная клетка окружена полисахаридной клеточной стенкой . Поэтому соседние растительные клетки разделены парой клеточных стенок и промежуточной средней пластинкой , образуя внеклеточный домен, известный как апопласт . Хотя клеточные стенки проницаемы для небольших растворимых белков и других растворенных веществ , плазмодесмы обеспечивают прямой, регулируемый, симпластический транспорт веществ между клетками. Существует две формы плазмодесм: первичные плазмодесмы, которые образуются во время деления клеток, и вторичные плазмодесмы, которые могут образовываться между зрелыми клетками. [5]
Похожие структуры, называемые щелевыми контактами [6] и мембранными нанотрубками , соединяют клетки животных [7] , а стромулы образуются между пластидами в растительных клетках [8] .
Первичные плазмодесмы образуются, когда фракции эндоплазматического ретикулума захватываются через среднюю пластинку , поскольку новая клеточная стенка синтезируется между двумя недавно разделенными растительными клетками. В конечном итоге они становятся цитоплазматическими связями между клетками. В месте образования стенка больше не утолщается, и в стенках образуются углубления или тонкие области, известные как ямки . Ямки обычно образуют пары между соседними клетками. Плазмодесмы также могут быть вставлены в существующие клеточные стенки между неделящимися клетками (вторичные плазмодесмы). [9]
Образование первичных плазмодесм происходит во время части процесса клеточного деления, где эндоплазматический ретикулум и новая пластинка сливаются вместе, этот процесс приводит к образованию цитоплазматической поры (или цитоплазматического рукава). Десмотрубочка, также известная как сдавленный ЭР, формируется рядом с кортикальным ЭР. Как сдавленный ЭР, так и кортикальный ЭР плотно упакованы вместе, таким образом, не оставляя места для какого-либо люминального пространства. Предполагается, что сдавленный ЭР действует как мембранный транспортный путь в плазмодесмах. Когда нити кортикального ЭР запутываются при формировании новой клеточной пластинки, у наземных растений происходит образование плазмодесм. Предполагается, что сдавленный ЭР образуется из-за комбинации давления со стороны растущей клеточной стенки и взаимодействия белков ЭР и ПМ. Первичные плазмодесмы часто присутствуют в областях, где клеточные стенки кажутся тоньше. Это связано с тем, что по мере расширения клеточной стенки уменьшается количество первичных плазмодесм. Для дальнейшего увеличения плотности плазмодесм во время роста клеточной стенки образуются вторичные плазмодесмы. Процесс образования вторичных плазмодесм еще предстоит полностью понять, однако считается, что различные деградирующие ферменты и белки ER стимулируют этот процесс. [10]
Типичная растительная клетка может иметь от 1000 до 100000 плазмодесм, соединяющих ее с соседними клетками [11], что составляет от 1 до 10 на мкм2 . [ 12] [ проверка не удалась ] Плазмодесмы имеют диаметр приблизительно 50–60 нм в средней точке и состоят из трех основных слоев: плазматической мембраны , цитоплазматического рукава и десмотрубулы . [11] Они могут пересекать клеточные стенки толщиной до 90 нм. [12]
Плазматическая мембранная часть плазмодесмы является непрерывным продолжением клеточной мембраны или плазмалеммы и имеет похожую структуру фосфолипидного бислоя . [13]
Цитоплазматический рукав представляет собой заполненное жидкостью пространство, окруженное плазмалеммой, и является непрерывным продолжением цитозоля . Транспорт молекул и ионов через плазмодесмы происходит через это пространство. Более мелкие молекулы (например, сахара и аминокислоты ) и ионы могут легко проходить через плазмодесмы путем диффузии без необходимости в дополнительной химической энергии. Более крупные молекулы, включая белки (например, зеленый флуоресцентный белок ) и РНК, также могут проходить через цитоплазматический рукав диффузно. [14] Плазмодесматальный транспорт некоторых более крупных молекул облегчается механизмами, которые в настоящее время неизвестны. Одним из механизмов регуляции проницаемости плазмодесм является накопление полисахаридной каллозы вокруг области шейки с образованием воротника, тем самым уменьшая диаметр поры, доступной для транспорта веществ. [13] За счет расширения, активного пропускания или структурного ремоделирования проницаемость плазмодесм увеличивается. Это увеличение проницаемости пор плазмодесм позволяет более крупным молекулам или макромолекулам , таким как сигнальные молекулы, факторы транскрипции и комплексы РНК-белок, транспортироваться в различные клеточные компартменты. [10]
Десмотрубочка представляет собой трубку сдавленного (уплощенного) эндоплазматического ретикулума, которая проходит между двумя соседними клетками. [15] Известно, что некоторые молекулы транспортируются через этот канал, [16] но он не считается основным маршрутом для плазмодесмального транспорта.
Вокруг десмотрубулы и плазматической мембраны были обнаружены области электронно-плотного материала, часто соединенные вместе спицевидными структурами, которые, по-видимому, разделяют плазмодесму на более мелкие каналы. [15] Эти структуры могут состоять из миозина [17] [18] [19] и актина , [18] [20] , которые являются частью цитоскелета клетки . Если это так, то эти белки могут использоваться для селективного транспорта крупных молекул между двумя клетками.
Было показано, что плазмодесмы транспортируют белки (включая факторы транскрипции ), короткие интерферирующие РНК , мессенджеры РНК , вироиды и вирусные геномы из клетки в клетку. Одним из примеров вирусных белков движения является вирус табачной мозаики MP-30. Считается, что MP-30 связывается с собственным геномом вируса и переносит его из инфицированных клеток в незараженные через плазмодесмы. [14] Цветущий локус T белок перемещается из листьев в апикальную меристему побега через плазмодесмы, чтобы инициировать цветение . [21]
Плазмодесмы также используются клетками флоэмы , а симпластический транспорт используется для регуляции клеток ситовидных трубок клетками - спутниками . [ необходима ссылка ]
Размер молекул, которые могут проходить через плазмодесмы, определяется пределом исключения размера. Этот предел сильно варьируется и подвержен активной модификации. [5] Например, MP-30 способен увеличивать предел исключения размера с 700 дальтон до 9400 дальтон, тем самым способствуя его перемещению через растение. [22] Также было показано, что увеличение концентрации кальция в цитоплазме, либо путем инъекции, либо путем индукции холодом, сужает отверстие окружающих плазмодесм и ограничивает транспорт. [23]
Существует несколько моделей возможного активного транспорта через плазмодесмы. Было высказано предположение, что такой транспорт опосредован взаимодействиями с белками, локализованными на десмотрубулах, и/или шаперонами, частично разворачивающими белки , что позволяет им проходить через узкий проход. Похожий механизм может быть задействован в транспортировке вирусных нуклеиновых кислот через плазмодесмы. [24] [ ненадежный источник? ]
Для оценки транспорта через плазмодесмы был предложен ряд математических моделей. Эти модели в первую очередь рассматривали транспорт как проблему диффузии с некоторыми дополнительными помехами. [25] [26] [27]
Плазмодесмы связывают почти каждую клетку растения, что может вызывать негативные эффекты, такие как распространение вирусов. Чтобы понять это, мы должны сначала рассмотреть компоненты цитоскелета, такие как актиновые микрофиламенты, микротрубочки и миозиновые белки, и то, как они связаны с межклеточным транспортом. Актиновые микрофиламенты связаны с транспортом вирусных белков движения к плазмодесмам, что позволяет осуществлять межклеточный транспорт через плазмодесмы. Флуоресцентное мечение для совместной экспрессии в листьях табака показало, что актиновые филаменты отвечают за транспорт вирусных белков движения к плазмодесмам. Когда полимеризация актина была заблокирована, это вызвало снижение нацеливания плазмодесм на белки движения в табаке и позволило компонентам 10 кДа (а не 126 кДа) перемещаться между клетками мезофилла табака . Это также повлияло на межклеточное перемещение молекул внутри растения табака. [28]
Вирусы разрушают актиновые нити в канале плазмодесмы, чтобы перемещаться внутри растения. Например, когда вирус мозаики огурца (CMV) попадает в растения, он может перемещаться практически через каждую клетку, используя вирусные белки движения, чтобы транспортировать себя через плазмодесмы. Когда листья табака обрабатываются препаратом, стабилизирующим актиновые нити, фаллоидином, белки движения вируса мозаики огурца не способны увеличить предел исключения размера плазмодесмы (SEL). [28]
Большое количество миозиновых белков обнаружено в местах расположения плазмодесм. Эти белки участвуют в направлении вирусных грузов в плазмодесмы. Когда мутантные формы миозина были протестированы на растениях табака, нацеливание вирусного белка на плазмодесмы было негативно затронуто. Постоянное связывание миозина с актином, вызванное лекарственным средством, вызвало снижение движения клеток друг к другу. Вирусы также способны избирательно связываться с миозиновыми белками. [28]
Микротрубочки играют важную роль в переносе вирусной РНК из клетки в клетку. Вирусы используют множество различных методов транспортировки себя из клетки в клетку, и один из этих методов связывает N-концевой домен своей РНК с локализацией в плазмодесмах через микротрубочки. В растениях табака, инъецированных вирусами табачной мозаики , которые содержались при высоких температурах, наблюдалась сильная корреляция между белками движения TMV, мечеными GFP, и микротрубочками. Это привело к увеличению распространения вирусной РНК через табак. [28]
Регуляция и структура плазмодесм регулируются полимером бета-1,3-глюкана, известным как каллоза. Каллоза обнаруживается в клеточных пластинках во время процесса цитокинеза, но по мере того, как этот процесс достигает завершения, уровень каллозы снижается. [ необходима цитата ] Единственные богатые каллозой части клетки включают участки клеточной стенки, где присутствуют плазмодесмы. Для того чтобы регулировать то, что транспортируется через плазмодесмы, должна присутствовать каллоза. Каллоза обеспечивает механизм, с помощью которого регулируется проницаемость плазмодесм. Для того чтобы контролировать то, что транспортируется между различными тканями, плазмодесмы претерпевают несколько специализированных конформационных изменений. [10]
Активность плазмодесм связана с физиологическими и развивающими процессами в растениях. Существует гормональный сигнальный путь, который передает первичные клеточные сигналы через плазмодесмы. Существуют также модели экологических, физиологических и развивающих сигналов, которые показывают связь с функцией плазмодесм. Важным механизмом плазмодесм является способность запирать свои каналы. Было доказано, что уровни каллозы являются методом изменения размера апертуры плазмодесм. [29] Отложения каллозы обнаруживаются в шейке плазмодесм в новых клеточных стенках, которые были сформированы. Уровень отложений в плазмодесмах может колебаться, что показывает, что существуют сигналы, которые запускают накопление каллозы в плазмодесмах и заставляют плазмодесмы становиться закрытыми или более открытыми. Ферментативная активность бета-1,3-глюкансинтазы и гидролаз участвует в изменении уровня целлюлозы плазмодесм. Некоторые внеклеточные сигналы изменяют транскрипцию активности этой синтазы и гидролазы. Arabidopsis thaliana имеет гены каллозосинтазы, которые кодируют каталитическую субъединицу B-1,3-глюкана. Мутанты с усилением функции в этом генофонде показывают повышенное отложение каллозы в плазмодесмах и снижение макромолекулярного трафика, а также дефектную корневую систему во время развития. [28]