Kasveilla ei ole hermosoluista, mutta niillä on sähköinen signaalijärjestelmä, joka toimii yllättävän samankaltaisesti eläinten hermosignaalien kanssa, vaikkakin paljon hitaammin etenevien (senttimetrejä minuutissa kasveissa verrattuna kymmeniin metreihin sekunnissa nopeissa eläinten hermosoluissa) ja osittain erilaisilla ionimekanismeilla. Löytö siitä, että kasvit tuottavat muuttuvia kalvopotentiaaleja ja levittävät sähköisiä signaaleja, juontaa juurensa 1800-luvun lopulle (Burdon-Sanderson, 1873, Dionaea muscipulalle), mutta systemaattinen tutkimus on tuoretta ja on kokenut vallankumouksen reaaliaikaisten biokuvantamismenetelmien myötä.

Kasvien sähköisten signaalien tyypit

Kasvit näyttävät kolme päätyyppiä sähköisiä signaaleja, jotka määritellään niiden ajallisten ominaisuuksien ja etenemismallin perusteella. Toimintapotentiaali (AP): "kaikki tai ei mitään" -tyyppinen sähköinen signaali, joka muistuttaa eläinten hermosignaaleja. Se etenee vakionopeudella (1–10 cm/minuutti kasveissa verrattuna 1–100 m/s hermosoluissa). Se syntyy, kun kalvopotentiaali ylittää kriittisen kynnysarvon (tyypillisesti −100 mV). Eläinten hermosoluissa sitä välittävät natrium (Na+) ja kalium (K+) -kanavat; kasveissa sitä välittävät ensisijaisesti kloridi (Cl−) ja kalium (K+) -kanavat, joissa on kalsiumin (Ca2+) osallistuminen. Dokumentoitu Mimosa pudicassa (kosketusreaktio), Dionaea muscipulassa (ansasuljetus) ja Nitellassa (levä). Vaihtelupotentiaali (VP) tai hitaalainen aalto: hitaampi sähköinen signaali, jonka amplitudi vaihtelee (ei "kaikki tai ei mitään"). Se etenee floeemin kautta (sokerin kuljetukseen tarkoitettu verisuonisto) vain muutaman millimetrin minuutissa. Se on yleisin signaali korkeammissa kasveissa kudosvaurion vastauksena. Asteittainen signaali: amplitudi riippuu ärsykkeen voimakkuudesta. Pintapotentiaali (SP): potentiaalin vaihtelu, joka mitataan lehden pinnalla paikallisen ärsykkeen vastauksena. Tutkittu vähemmän kuin edelliset tyypit.

Kalsium toisena välittäjänä kasvien sähköisessä signaloinnissa

Kalsium (Ca2+) on tärkein toinen välittäjä kasvien sähköisessä signaloinnissa. Kun sähköinen signaali etenee kasvinsolussa, se avaa kalsiumkanavia plasmamembraanilla ja vakuolissa (suuri solunsisäinen varastointieliö, joka sisältää korkeita Ca2+ -pitoisuuksia), mikä tuottaa väliaikaisen nousu sytoplasmisen Ca2+ -pitoisuuden. Tämä Ca2+ -nousu aktivoi: entsyymejä (kinaaseja, fosfataaseja), jotka muuttavat sääntelyproteiinien aktiivisuutta, kasvihormoneien (jasmoniitti, etyleeni) synteesiä, jotka levittävät puolustusvasteita, muutoksia geenien ilmentymisessä (puolustusgeenit, stressivasteen geenit). Toyotan tutkimus (Science, 2018): käyttäen Arabidopsis-kasveja, joissa on geneettinen kalsiumibiosensori (GCaMP), joka fluoresoi vihreänä, kun solunsisäinen Ca2+ nousee, Toyota osoitti reaaliajassa kalsiumaallot, jotka etenevät vaurioituneesta lehdestä koko kasviin vain muutamissa minuuteissa floeemin solujen kautta. Glutamaatin rooli: Toyota osoitti, että Ca2+ -signaali laukaistaan glutamaatin vapautumisella vaurioituneista soluista (vapaa glutamaatti vauriosta sitoutuu GLR3.3 ja GLR3.6 -reseptoreihin vierekkäisillä soluilla, avaten Ca2+ -kanavia). Tarkka ja dokumentoitu molekyylitapahtumien ketju.

Kasvien sähköisten signaalien nopeus: miksi niin hitaasti?

Sähköisten signaalien nopeus kasveissa (vain muutama senttimetri minuutissa) on tuhansia kertoja hitaampi kuin hermosignaalit eläimissä (jopa 100 m/s myelinoiduissa neuroneissa). Tämä ero heijastaa näiden kahden organismiryhmän perustavanlaatuisia biologisia eroja. Kasveilla ei ole myeliinia: selkärankaisissa eläimissä aksoneja ympäröivä myeliinivyö on johtumisen pääasiallinen kiihdyttäjä (hyppivä johtuminen). Kasveilla ei ole mitään vastaavaa. Kasvit eivät tarvitse korkeita nopeuksia: eläimet on reagoitava millisekunnissa paetakseen saalistajia tai saadakseen saalista. Kasvit eivät liiku eläinten tavalla: niiden vasteet (myrkkyjen synteesi, lehden muuttaminen, Dionaea-ansasuljetus) tapahtuvat minuutteissa tai tunneissa. Signaloinnin nopeus vain muutaman senttimetrin minuutissa riittää koordinoimaan systeemisiä vasteitä metrin korkeassa kasvissa. Huomattavat poikkeukset: Dionaea muscipula on poikkeuksellisesti: ansasuljetus tapahtuu 100–300 millisekunnissa, välittyy suhteellisen nopeilla toimintapotentiaaleilla ja osmoottisillla muutoksilla moottorisoluja. Mimosa pudica sulkee lehtiään 1–2 sekunnissa: nopeaa kasville, mutta hidasta eläimelle. Nämä poikkeukset heijastuvat erityisiä evoluutiopaineita (Dionaea:n on kaapattava nopeasti liikkuvia hyönteisiä).

Dionaea muscipula: Kasvin sähköisen signaloinnin mestariteos

Dionaea muscipula (Venusten lipalaulanta) on kasveissa tapahtuvan sähköisen signaloinnin spektaakkelisin esimerkki ja yksi eniten tutkituista biologisista järjestelmistä kalvobiofysiikassa. Ansarakenteen rakenne: jokainen muuntunut lehti koostuu kahdesta hammastetusta lohkosta, jotka sulkeutuvat leuan tavoin. Lohkojen sisäpinnalla on 3 laukaisukarvaa, jotka mekaanisen ärsytyksen seurauksena synnyttävät toimintapotentiaalin. Laskentamekanismi: yhden laukaisukarvan kosketus synnyttää toimintapotentiaalin, mutta ei sulkaise ansaa. Kaksi kosketusta nopeassa peräkkäisyydessä (30 sekunnin sisällä) synnyttää kaksi toimintapotentiaalia → ansa sulkeutuu. Syy: väärän sulkeutumisen estäminen (hiekanjyvä tai sadepisara voi koskettaa karvaa vain kerran). Sulkeutumismekanismi: toimintapotentiaali etenee laukaisukarvan soluista lohkon moottorisoluksi. Solunsisäinen Ca2+ kasvaa moottorisoluksissa, aktivoituu nopea protonipumppu (H+-ATPaasi), joka muuttaa osmoottisia olosuhteita ja aiheuttaa lohkon ulkopuolella olevien moottorisoluksi nopean turpoamisen → lohko käyrtyy sisäänpäin 100 millisekunnissa. Seuraavien ärsytysten laskeminen: sulkeutumisen jälkeen Venusten lipalaulanta jatkaa laukaisukarvan ärsytysten "laskemista" (ansaan jääneen hyönteisen liikkeistä). 5. ärsytyksellä: ruoansulatusrauhasia aktivoituu (hydrolyyttisten entsyymien tuotanto). 10. ärsytyksellä: entsyymin tuotanto lisääntyy. Molekyylinen laskentajärjestelmä, joka porrastaa vastetta ärsytyksen voimakkuuden perusteella.

Kasvin sähköfysiologia: mittaustekniikat

Kasveissa tapahtuvien sähköisten signaalien tutkiminen vaatii kehittyneitä tekniikoita. Tärkeimmät kasvin sähköfysiologian tekniikat: patch-clamp kasvin soluprotoplasmeissa: kalvobiofysiikan kultainen standardi. Yksittäinen kasvisolu ilman soluseinää (protoplasmi) eristetään ja mikropipetti asetetaan plasmamembraaniin ionivirtausten mittaamiseksi yksittäisten kanavien läpi. Se mahdollistaa kunkin ionikanavan tyypin kinetiikan ja selektiivisyyden karakterisoinnin. Solunulkoiset mikroelektrodit ehjissä kasveissa: lasisia tai metallisia mikroelektrodeja asetetaan ehjien kasvien lehtikudokseen tai floeemin sisään ja solunulkoista potentiaalia mitataan ajan kuluessa. Vähemmän invasiivinen kuin patch-clamp, mutta vähemmän tarkka. Ei-invasiivinen: fluoresoivat geneettiset biosensorit (GCaMP, R-GECO): uusin ja tehokkain tekniikka. Ca2+-biosensori (GCaMP: vihreä fluoresoiva proteiini, joka on fuusioitu kalmodoliinin kanssa) otetaan geneettisesti kasvin sisään. Fluoresenssi-mikroskoopilla voidaan visualisoida solunsisäisen Ca2+:n kasvu kussakin solussa reaaliajassa, mikä kartoittaa sähköisen signaalin etenemisen koko kasvissa. Käytetty Toyotan ja muiden tutkimuksessa (2018). Jänniteväriaineilla kuvaaminen: kalvopotentiaalille herkkiä fluoresoivia väriä (DiBAC4, RH-237), jotka sisällyttyvät solumembraaniin ja muuttavat fluoresenssiaan potentiaalin vaihteluiden mukaan. Käytetään toimintapotentiaalien visualisointiin kasveissa. Kasvin resistanssi ja johtavuus: bioelektrisen impedanssin (BEI) tekniikat mittaavat kasvin kudosten sähköistä vastusta niiden fysiologisen terveydentilan välityspalvelimena. Käytetään tarkkuusmaataloudessa vesistressi-monitorointiin ilman invasiivisia menetelmiä.