För att jaga flugor och andra smådjur måste Venusflugfällan vara snabbare än sitt byte. För att göra det har den utvecklat ett fångstorgan som kan snäppa igen på en bråkdel av en sekund och som styrs av de snabbaste signalnätverk som är kända i anläggningar. En elektrisk signal känd som aktionspotentialen är kärnan i detta nätverk. När en fluga vidrör ett av de sex känselhåren på Venusflugfällan genereras en aktionspotential som aktiverar snapfällan. En andra aktionspotential utlöser slutligen fångstorganet.

Det faktum att elektriska signaler gör det möjligt för Venusflugfällan att fånga byten har varit känt i mer än 150 år. Ett team ledd av professor Rainer Hedrich, en biofysiker vid Julius Maximilians University (JMU) Würzburg, Tyskland, har nu undersökt de molekylära komponenterna som är ansvariga för att generera aktionspotentialen - en fråga som tidigare var outforskad. I det aktuella numret av tidskriften Current Biology , presenterar forskarna nu resultaten av sitt arbete. Deras fokus ligger på glutamatreceptorkanaler och jontransportproteiner som initierar aktionspotential och håller den igång.

När Venus-flugfällan blir elektriskt exciterbar

En grundläggande fråga för teamet var vid vilken tidpunkt i sin utveckling Venus flugfällans fångstorgan blir elektriskt exciterbart i första hand. Svaret gavs av första författaren Sönke Scherzer:"Först när fällan är färdigutvecklad och öppnar sig för första gången avfyrar den sina arketypiska handlingspotentialer."

En aktionspotential manifesterar sig som en transient avböjning av en cells membranpotential - den elektriska spänningen mellan insidan och utsidan av cellen. Under en aktionspotential sjunker membranpotentialen typiskt snabbt under depolarisering, bara för att stiga igen under den efterföljande repolariseringen, initialt över det ursprungliga vilovärdet innan det sakta närmar sig sitt ursprungliga värde igen. Venusflugfällans aktionspotential varar vanligtvis bara en till två sekunder och fortplantar sig som våg.

För kommunikation inom cellen såväl som mellan celler, vävnader och organ använder växter dessutom kalciumvågor, som medieras av positivt laddat Ca ²⁺ joner, som tjänar som sekundära budbärare. "Genom att använda flugfällor som bar genen för ett kalciumjonreporterprotein kunde vi visa att aktionspotentialer och kalciumsignaler inte bara fungerar på ett koordinerat sätt, utan även fortplantar sig i samma hastighet", förklarar Rainer Hedrich.

Överraskande upptäckt i den genetiska sammansättningen

Med expertis från Ines Kreuzer och Anda Iosip identifierade teamet sedan generna som kodar för denna signalväg. "Venusflugfällan behöver mindre än en halv dag för att öppna sitt fångstorgan för första gången", säger Kreuzer. "Vi tittade därför på de gener som uttrycks differentiellt när fällan går in i sitt exciterbara stadium."

Bland de mest uttryckta generna hittade Würzburg-teamet en glutamatreceptorkanal - en överraskande observation, säger medförfattaren Manfred Heckmann, ordförande för fysiologi med fokus på neurofysiologi vid JMU. "Glutamat fungerar som en signalsubstans hos människor. Om växtkanalerna faktiskt fungerar som glutamatreceptorkanaler också måste stimulering med glutamat utlösa en kalciumjonsignal och en aktionspotential", säger Heckmann.

Från genuttrycksprofiler till AP-modellen

De nya insikterna från Würzburgs forskargrupp tillåter bara en slutsats:Inflödet av kalciumjoner initierar aktionspotentialen via glutamatreceptorkanalen. Frågan kvarstår:Hur tar aktionspotentialen fart?

Vid närmare undersökning av generna fångade en anjonkanal, en kaliumkanal och en protonpump lagets blick som potentiella aktörer i denna process. Med hjälp av professor Ingo Dreyer, en tidigare JMU-stipendiat, som nu arbetar som biofysisk bioinformatiker vid University of Calca i Chile, kunde de beskriva processen i detalj.

Följaktligen representerar kalciumjoner som kommer in i fällcellerna via glutamatreceptorkanaler tändaren. Som andra budbärare initierar de öppningen av anjonkanalerna. Anjonutflöde resulterar i membranpotentialdepolarisering. Depolarisering öppnar i sin tur kaliumjonkanaler, vilket initierar repolariseringsfasen via kaliumutflöde. När repolariseringen fortskrider tar protonpumpen över för att återställa processen till dess ursprungliga tillstånd.

Venusflugfällans komplexa aktionspotential

Så jämfört med dess offer är handlingspotentialen hos Venus flugfälla mycket mer komplex. "Medan aktionspotentialen hos människor och flugor är baserad på endast en natrium- och en kaliumkanal, har Venusflugfällan ytterligare två komponenter", förklarar Rainer Hedrich.

En släkting till flugans kaliumkanal, tillsammans med protonpumpen, garanterar alltså en repolarisering av aktionspotentialen i flugfällan. Natriumkanaler spelar ingen roll i denna process i växter. Istället uppnås depolarisering av verkanspotentialen för flugfällan genom den samordnade verkan av en glutamatreceptorkalciumkanal och en kalciumberoende anjonkanal.

Utsikter och framtidsforskning

Växternas genom kodar för cirka 20 glutamatreceptorkanaler men har inga synapser. Vad behöver växten så många receptorer till? Var kommer glutamatet ifrån under stimulering och hur bibehålls det i vila? Hedrichs team planerar att ta upp dessa frågor i kommande studier. "Vi kommer snart att kunna klargöra detta med hjälp av genetiskt kodade glutamatsensorer i växter", säger Hedrich.

"När det gäller struktur, funktion och reglering av glutamatreceptorkanaler och glutamattransportörer har vi för närvarande fler frågor än svar. Det är möjligt att evolutionen visar oss vägen hit. I mycket tidiga landväxter hittar vi arter med endast en glutamatreceptorkanal. Frågan är om det finns ett samband mellan utvecklingen av dessa kanaler och växternas excitabilitet. Det är vad vi är fast beslutna att ta reda på." + Utforska vidare

Växter under narkos avslöjar överraskande paralleller med människor