Om op vliegen en andere kleine dieren te jagen, moet de Flytrap van Venus sneller zijn dan zijn prooi. Om dit te doen, heeft het een vangorgaan ontwikkeld dat in een fractie van een seconde kan sluiten en wordt bestuurd door de snelste signaleringsnetwerken die in planten bekend zijn. Een elektrisch signaal dat bekend staat als het actiepotentiaal vormt het hart van dit netwerk. Wanneer een vlieg een van de zes sensorische haren van de Flytrap van Venus aanraakt, wordt een actiepotentiaal gegenereerd, waardoor de snaptrap wordt geactiveerd. Een tweede actiepotentiaal activeert uiteindelijk het vangorgaan.

Het feit dat elektrische signalen de Flytrap van Venus in staat stellen om prooien te vangen, is al meer dan 150 jaar bekend. Een team onder leiding van professor Rainer Hedrich, een biofysicus aan de Julius Maximilians University (JMU) Würzburg, Duitsland, heeft nu de moleculaire componenten onderzocht die verantwoordelijk zijn voor het genereren van de actiepotentiaal - een probleem dat voorheen onontgonnen was. In het huidige nummer van het tijdschrift Current Biology , presenteren de wetenschappers nu de resultaten van hun werk. Hun focus ligt op glutamaatreceptorkanalen en ionentransporteiwitten die actiepotentiaal initiëren en in stand houden.

Als de Flytrap van Venus elektrisch prikkelbaar wordt

Een fundamentele vraag voor het team was op welk punt in zijn ontwikkeling het vangorgaan van de Flytrap van Venus in de eerste plaats elektrisch prikkelbaar wordt. Het antwoord werd gegeven door eerste auteur Sönke Scherzer:"Alleen wanneer de val volledig is ontwikkeld en voor de eerste keer wordt geopend, vuurt het zijn archetypische actiepotentialen af."

Een actiepotentiaal manifesteert zich als een tijdelijke afbuiging van het membraanpotentiaal van een cel - de elektrische spanning tussen de binnen- en buitenkant van de cel. Tijdens een actiepotentiaal daalt de membraanpotentiaal typisch snel tijdens depolarisatie, om vervolgens weer te stijgen tijdens de daaropvolgende repolarisatie, aanvankelijk boven de oorspronkelijke rustwaarde voordat hij langzaam weer zijn oorspronkelijke waarde nadert. De actiepotentiaal van Venus Flytrap duurt meestal slechts één tot twee seconden en plant zich voort als een golf.

Voor communicatie binnen de cel en tussen cellen, weefsels en organen gebruiken planten bovendien calciumgolven, die worden gemedieerd door positief geladen Ca ²⁺ ionen, die als secundaire boodschappers dienen. "Met behulp van vliegenvallen die het gen voor een calciumion-reportereiwit droegen, konden we aantonen dat actiepotentialen en calciumsignalen niet alleen op een gecoördineerde manier werken, maar zich ook met dezelfde snelheid voortplanten", legt Rainer Hedrich uit.

Verrassende ontdekking in de genetische samenstelling

Met de expertise van Ines Kreuzer en Anda Iosip identificeerde het team vervolgens de genen die coderen voor deze signaalroute. "De Flytrap van Venus heeft minder dan een halve dag nodig om zijn vangorgaan voor de eerste keer te openen", zegt Kreuzer. "We hebben daarom gekeken naar die genen die differentieel tot expressie worden gebracht wanneer de val zijn prikkelbare fase ingaat."

Een van de genen die het meest tot expressie worden gebracht, heeft het Würzburg-team een ​​glutamaatreceptorkanaal aangewezen - een verrassende observatie, zegt co-auteur Manfred Heckmann, voorzitter van de fysiologie met een focus op neurofysiologie bij JMU. "Glutamaat functioneert als een neurotransmitter bij mensen. Als de plantenkanalen ook daadwerkelijk als glutamaatreceptorkanalen functioneren, moet stimulatie met glutamaat een calciumionsignaal en een actiepotentiaal veroorzaken", zegt Heckmann.

Van genexpressieprofielen tot het AP-model

De nieuwe inzichten van het Würzburg-onderzoeksteam laten maar één conclusie toe:de instroom van calciumionen initieert de actiepotentiaal via het glutamaatreceptorkanaal. De vraag blijft:hoe versnelt het actiepotentiaal?

Bij nader onderzoek van de genen trokken een anionkanaal, een kaliumkanaal en een protonpomp de aandacht van het team als potentiële actoren in dit proces. Met de hulp van professor Ingo Dreyer, een voormalig JMU-fellow, nu werkzaam als biofysisch bio-informaticus aan de Universiteit van Calca in Chili, konden ze het proces in detail beschrijven.

Dienovereenkomstig vertegenwoordigen calciumionen die de valcellen binnenkomen via glutamaatreceptorkanalen de ontsteker. Als tweede boodschappers initiëren ze de opening van de anionkanalen. Anion-efflux resulteert in membraanpotentiaaldepolarisatie. Depolarisatie opent op zijn beurt kaliumionkanalen en initieert de repolarisatiefase via kaliumefflux. Naarmate de repolarisatie vordert, neemt de protonpomp het over om het proces terug te brengen naar zijn oorspronkelijke staat.

De complexe actiepotentiaal van de Flytrap van Venus

Dus vergeleken met zijn slachtoffers is de actiepotentiaal van de Flytrap van Venus veel complexer. "Terwijl de actiepotentiaal van mensen en vliegen gebaseerd is op slechts één natrium- en één kaliumkanaal, heeft de Flytrap van Venus twee extra componenten", legt Rainer Hedrich uit.

Zo rechtvaardigt een familielid van het kaliumkanaal van de vlieg, samen met de protonpomp, repolarisatie van het actiepotentiaal in de vliegenval. In planten spelen natriumkanalen geen rol in dit proces. In plaats daarvan wordt depolarisatie van de flytrap-actiepotentiaal bereikt door de gezamenlijke werking van een glutamaatreceptorcalciumkanaal en een calciumafhankelijk anionkanaal.

Vooruitzichten en toekomstig onderzoek

Plantengenomen coderen voor ongeveer 20 glutamaatreceptorkanalen, maar hebben geen synapsen. Waar heeft de plant zoveel receptoren voor nodig? Waar komt het glutamaat vandaan tijdens stimulatie en hoe wordt het in rust gehouden? Het team van Hedrich is van plan deze vragen in komende onderzoeken aan te pakken. "We zullen dit binnenkort kunnen ophelderen met behulp van genetisch gecodeerde glutamaatsensoren in planten", zegt Hedrich.

"Met betrekking tot de structuur, functie en regulatie van glutamaatreceptorkanalen en glutamaattransporters hebben we momenteel meer vragen dan antwoorden. Het is mogelijk dat evolutie ons hier de weg wijst. In zeer vroege landplanten vinden we soorten met slechts één glutamaatreceptorkanaal. De vraag is of er een verband is tussen de evolutie van deze kanalen en de prikkelbaarheid van planten. Dat is wat we vastbesloten zijn te ontdekken." + Verder verkennen

Planten onder narcose onthullen verrassende parallellen met mensen