Строение плазмодесм и их расположение в растительных клетках.- Плазмодесмы позволяют молекулам перемещаться между растительными клетками по симпластическому пути.
Плазмодесмы (единственное число: плазмодесма ) представляют собой микроскопические каналы, которые пересекают клеточные стенки растительных клеток [2] и некоторых клеток водорослей , обеспечивая транспорт и связь между ними. Plasmodesmata развивались независимо в нескольких линиях, [3] и виды, имеющие эти структуры, включают представителей Charophyceae , Charales , Coleochaetales и Phaeophyceae (все они являются водорослями), а также все эмбриофиты , более известные как наземные растения. [4] В отличие от клеток животных , почти каждая растительная клетка окружена клеточной стенкой из полисахарида . Соседние растительные клетки поэтому 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, образующиеся при делении клеток, и вторичные плазмодесмы, которые могут образовываться между зрелыми клетками. [5]
Подобные структуры, называемые щелевыми соединениями [6] и мембранными нанотрубками , соединяют клетки животных [7] , а стромулы образуются между пластидами в растительных клетках. [8]
Первичные плазмодесмы образуются, когда части эндоплазматической сети захватываются средней пластинкой по мере синтеза новой клеточной стенки между двумя недавно разделенными растительными клетками. В конечном итоге они становятся цитоплазматическими связями между клетками. В месте образования стенка не утолщается дальше, а в стенках образуются углубления или тонкие участки, известные как ямы . Ямы обычно располагаются парами между соседними ячейками. Плазмодесмы также могут быть вставлены в существующие клеточные стенки между неделящимися клетками (вторичные плазмодесмы). [9]
Формирование первичных плазмодесм происходит на той части процесса клеточного деления, где эндоплазматическая сеть и новая пластинка сливаются вместе, этот процесс приводит к образованию цитоплазматической поры (или цитоплазматического рукава). Десмотрубула, также известная как прижатый ЭР, формируется рядом с кортикальным ЭР. И прижатый ЭР, и кортикальный ЭР плотно прилегают друг к другу, не оставляя места для какого-либо просветного пространства. Предполагается, что сжатый ЭР действует как путь мембранного транспорта в плазмодесмах. При переплетении нитей коркового ЭР при образовании новой клеточной пластинки у наземных растений происходит образование плазмодесм. Предполагается, что сжатый ЭР формируется за счет сочетания давления со стороны растущей клеточной стенки и взаимодействия белков ЭР и ПМ. Первичные плазмодесмы часто присутствуют в областях, где клеточные стенки кажутся более тонкими. Это связано с тем, что по мере расширения клеточной стенки численность первичных плазмодесм уменьшается. 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 100 000 плазмодесм, соединяющих ее с соседними клетками [11] , что составляет от 1 до 10 на мкм 2 . [12] [ не удалось проверить ] Плазмодесмы имеют диаметр примерно 50–60 нм в средней точке и состоят из трех основных слоев: плазматической мембраны , цитоплазматического рукава и демотубулы . [11] Они могут пересекать клеточные стенки толщиной до 90 нм. [12]
Часть плазмалеммы плазмодесмы представляет собой непрерывное продолжение клеточной мембраны или плазмалеммы и имеет аналогичную двухслойную структуру фосфолипидов. [13]
Цитоплазматический рукав представляет собой заполненное жидкостью пространство, окруженное плазмалеммой и являющееся непрерывным продолжением цитозоля . Через это пространство происходит транспорт молекул и ионов через плазмодесмы. Меньшие молекулы (например, сахара и аминокислоты ) и ионы могут легко проходить через плазмодесмы путем диффузии без необходимости использования дополнительной химической энергии. Более крупные молекулы, включая белки (например, зеленый флуоресцентный белок ) и РНК, также могут диффузно проходить через цитоплазматический рукав. [14] Плазмодесматальный транспорт некоторых более крупных молекул облегчается механизмами, которые в настоящее время неизвестны. Одним из механизмов регуляции проницаемости плазмодесм является накопление мозолистого полисахарида вокруг области шейки с образованием воротника, тем самым уменьшая диаметр пор, доступных для транспорта веществ. [13] За счет дилатации, активного шлюзования или структурного ремоделирования проницаемость плазмодесм увеличивается. Это увеличение проницаемости пор плазмодесм позволяет транспортировать более крупные молекулы или макромолекулы , такие как сигнальные молекулы, факторы транскрипции и комплексы РНК-белок, в различные клеточные компартменты. [10]
Десмотубула представляет собой трубку прижатого (уплощенного) эндоплазматического ретикулума, проходящего между двумя соседними клетками . [15] Известно, что некоторые молекулы транспортируются через этот канал, [16] но он не считается основным путем плазмодесматального транспорта.
Вокруг демотубулы и плазматической мембраны наблюдаются области электронно-плотного материала, часто соединенные спицеобразными 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 можно было бы использовать для избирательного транспорта больших молекул между двумя клетками.
Было показано, что плазмодесмы транспортируют белки (включая факторы транскрипции ), короткие интерферирующие РНК , информационную РНК , вироиды и вирусные геномы от клетки к клетке. Одним из примеров белков вирусного движения является вирус табачной мозаики МП-30. Считается, что MP-30 связывается с собственным геномом вируса и переносит его из инфицированных клеток в неинфицированные через плазмодесмы. [14] Белок локуса цветения Т 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 ситовидной трубочки с помощью клеток-компаньонов . [ нужна цитата ]
Размер молекул, которые могут проходить через плазмодесмы, определяется пределом исключения размера. Этот предел сильно варьируется и может быть активно изменен. [5] Например, MP-30 способен увеличить предел исключения размера с 700 дальтон до 9400 дальтон, тем самым облегчая его перемещение по растению. [22] Кроме того, было показано, что увеличение концентрации кальция в цитоплазме путем инъекции или индукции холодом сужает открытие 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 демотубуле, и/или шаперонами, частично разворачивающими белки , позволяя им пройти через узкий проход. Аналогичный механизм может быть задействован при транспортировке вирусных нуклеиновых кислот через плазмодесмы. [24] [ ненадежный источник? ]
Был предложен ряд математических моделей для оценки транспорта через плазмодесмы. Эти модели в первую очередь рассматривают транспорт как проблему диффузии с некоторыми дополнительными препятствиями. [25] [26] [27]
Плазмодесмы связывают почти каждую клетку растения, что может вызвать негативные последствия, такие как распространение вирусов. Чтобы понять это, мы должны сначала взглянуть на компоненты цитоскелета, такие как микрофиламенты актина, микротрубочки и белки миозина, и на то, как они связаны с транспортом от клетки к клетке. Актиновые микрофиламенты связаны с транспортировкой вирусных белков движения к плазмодесмам, что обеспечивает транспорт от клетки к клетке через плазмодесмы. Флуоресцентное мечение коэкспрессии в листьях табака показало, что актиновые нити ответственны за транспортировку белков перемещения вируса в плазмодесмы. Когда полимеризация актина блокировалась, это приводило к уменьшению воздействия плазмодесм на транспортные белки в табаке и позволяло компонентам массой 10 кДа (а не 126 кДа) перемещаться между клетками мезофилла табака . Это также повлияло на перемещение молекул внутри растения табака от клетки к клетке. [28]
Вирусы разрушают актиновые нити внутри канала плазмодесм, чтобы перемещаться внутри растения. Например, когда вирус мозаики огурца (CMV) попадает в растения, он может проходить почти через каждую клетку за счет использования белков вирусного движения для транспортировки себя через плазмодесмы. При обработке листьев табака препаратом, стабилизирующим актиновые нити, фаллоидином, белки движения вируса мозаики огурца не способны увеличить предел исключения размера плазмодесм (SEL). [28]
В местах плазмодесм обнаружено большое количество белков миозина . Эти белки участвуют в доставке вирусных грузов к плазмодесмам. Когда мутантные формы миозина были протестированы на растениях табака, это отрицательно сказалось на нацеливании вирусного белка на плазмодесмы. Постоянное связывание миозина с актином, вызванное лекарством, вызывало уменьшение движения клеток к клеткам. Вирусы также способны избирательно связываться с белками миозина. [28]
Микротрубочки играют важную роль в транспорте вирусной РНК от клетки к клетке. Вирусы используют множество различных методов транспортировки себя от клетки к клетке, 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 хранились при высоких температурах, наблюдалась сильная корреляция между меченными GFP белками движения ВТМ 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 завершения этого процесса уровень каллозы снижается. [ нужна цитация ] Единственные части клетки, богатые каллозой, включают участки клеточной стенки, где присутствуют плазмодесмы. Чтобы регулировать то, что транспортируется через плазмодесмы, должна присутствовать каллоза. Каллоза обеспечивает механизм, с помощью которого регулируется проницаемость плазмодесм. Чтобы контролировать то, что транспортируется между различными тканями, плазмодесмы претерпевают несколько специализированных конформационных изменений. [10]
Активность плазмодесм связана с физиологическими процессами и процессами развития растений. Существует гормональный сигнальный путь, который передает первичные клеточные сигналы через плазмодесмы. Существуют также закономерности экологических, физиологических сигналов и сигналов развития, которые показывают связь с функцией плазмодесм. Важным механизмом плазмодесм является способность открывать свои каналы. Было доказано, что уровни каллозы являются методом изменения размера апертуры плазмодесм. [29] Отложения каллозы обнаруживаются на шейке плазмодесмы в образовавшихся новых клеточных стенках. Уровень отложений в плазмодесмах может колебаться, что указывает на наличие сигналов, которые запускают накопление каллозы в плазмодесмах и заставляют плазмодесмы становиться закрытыми или более открытыми. Активность ферментов 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 демонстрируют повышенное отложение каллозы в плазмодесмах и снижение транспорта макромолекул, а также дефектную корневую систему во время развития. [28]