Per cacciare mosche e altri piccoli animali, il Venus acchiappamosche deve essere più veloce della sua preda. Per fare ciò, ha sviluppato un organo di cattura che può chiudersi a scatto in una frazione di secondo ed è controllato dalle reti di segnalazione più veloci conosciute nelle piante. Un segnale elettrico noto come potenziale d'azione è al centro di questa rete. Quando una mosca tocca uno dei sei peli sensoriali dell'acchiappamosche di Venere, viene generato un potenziale d'azione, armando la trappola a scatto. Un secondo potenziale d'azione, infine, attiva l'organo di cattura.

Il fatto che i segnali elettrici consentano all'acchiappamosche di Venere di catturare le prede è noto da più di 150 anni. Un team guidato dal professor Rainer Hedrich, un biofisico della Julius Maximilians University (JMU) di Würzburg, in Germania, ha ora studiato i componenti molecolari responsabili della generazione del potenziale d'azione, una questione prima inesplorata. Nell'attuale numero della rivista Current Biology , gli scienziati presentano ora i risultati del loro lavoro. Il loro focus è sui canali recettoriali del glutammato e sulle proteine ​​di trasporto ionico che avviano il potenziale d'azione e lo mantengono attivo.

Quando l'acchiappamosche di Venere diventa elettricamente eccitabile

Una domanda fondamentale per il team era in primo luogo a che punto del suo sviluppo l'organo di cattura dell'acchiappamosche diventa elettricamente eccitabile. La risposta è stata data dal primo autore Sönke Scherzer:"Solo quando la trappola è completamente sviluppata e si apre per la prima volta, attiva i suoi potenziali d'azione archetipici".

Un potenziale d'azione si manifesta come una deflessione transitoria del potenziale di membrana di una cellula, la tensione elettrica tra l'interno e l'esterno della cellula. Durante un potenziale d'azione, il potenziale di membrana tipicamente diminuisce rapidamente durante la depolarizzazione, per poi risalire durante la successiva ripolarizzazione, inizialmente al di sopra del valore di riposo originale prima di avvicinarsi lentamente di nuovo al suo valore originale. Il potenziale d'azione dell'acchiappamosche di Venere di solito dura solo uno o due secondi e si propaga come un'onda.

Per la comunicazione all'interno della cellula e tra cellule, tessuti e organi, le piante utilizzano inoltre le onde di calcio, che sono mediate da Ca ²⁺ caricato positivamente ioni, che servono come messaggeri secondari. "Utilizzando trappole per mosche che trasportavano il gene per una proteina reporter di ioni calcio, siamo stati in grado di dimostrare che i potenziali d'azione e i segnali del calcio non solo operano in modo coordinato, ma si propagano anche alla stessa velocità", spiega Rainer Hedrich.

Scoperta sorprendente nel trucco genetico

Con l'esperienza di Ines Kreuzer e Anda Iosip, il team ha quindi identificato i geni che codificano questa via di segnalazione. "Il Venus acchiappamosche ha bisogno di meno di mezza giornata per aprire il suo organo di cattura per la prima volta", afferma Kreuzer. "Abbiamo quindi esaminato quei geni che sono espressi in modo differenziale quando la trappola entra nella sua fase eccitabile."

Tra i geni più espressi, il team di Würzburg ha individuato un canale del recettore del glutammato, un'osservazione sorprendente, afferma il coautore Manfred Heckmann, presidente di fisiologia con un focus sulla neurofisiologia alla JMU. "Il glutammato funziona come un neurotrasmettitore negli esseri umani. Se i canali vegetali funzionano effettivamente anche come canali del recettore del glutammato, la stimolazione con il glutammato deve attivare un segnale di ioni calcio e un potenziale d'azione", afferma Heckmann.

Dai profili di espressione genica al modello AP

Le nuove conoscenze acquisite dal team di ricerca di Würzburg consentono solo una conclusione:l'afflusso di ioni calcio avvia il potenziale d'azione attraverso il canale del recettore del glutammato. La domanda rimane:in che modo il potenziale d'azione prende velocità?

Dopo un esame più attento dei geni, un canale anionico, un canale del potassio e una pompa protonica hanno attirato l'attenzione del team come potenziali attori in questo processo. Con l'aiuto del professor Ingo Dreyer, un ex borsista della JMU, che ora lavora come biofisico bioinformatico all'Università di Calca in Cile, sono stati in grado di descrivere il processo in dettaglio.

Di conseguenza, gli ioni calcio che entrano nelle cellule della trappola attraverso i canali del recettore del glutammato rappresentano l'accenditore. Come secondi messaggeri, avviano l'apertura dei canali anionici. L'efflusso di anioni provoca la depolarizzazione del potenziale di membrana. La depolarizzazione a sua volta apre i canali ionici del potassio, avviando la fase di ripolarizzazione tramite l'efflusso di potassio. Con il progredire della ripolarizzazione, la pompa protonica subentra per riportare il processo al suo stato iniziale.

Il complesso potenziale d'azione dell'acchiappamosche di Venere

Quindi, rispetto alle sue vittime, il potenziale d'azione del Venus acchiappamosche è di gran lunga più complesso. "Sebbene il potenziale d'azione di esseri umani e mosche si basi solo su un canale del sodio e uno del potassio, l'acchiappamosche di Venere possiede due componenti aggiuntivi", spiega Rainer Hedrich.

Pertanto, un parente del canale del potassio della mosca, insieme alla pompa protonica, garantisce la ripolarizzazione del potenziale d'azione nella trappola per mosche. I canali del sodio non svolgono alcun ruolo in questo processo nelle piante. Invece, la depolarizzazione del potenziale d'azione acchiappamosche è ottenuta dall'azione concertata di un canale del calcio del recettore del glutammato e di un canale anionico dipendente dal calcio.

Prospettive e ricerche future

I genomi delle piante codificano per circa 20 canali recettoriali del glutammato ma non hanno sinapsi. A cosa serve la pianta così tanti recettori? Da dove viene il glutammato durante la stimolazione e come viene mantenuto nello stato di riposo? Il team di Hedrich prevede di affrontare queste domande nei prossimi studi. "Saremo presto in grado di chiarire questo aspetto con l'aiuto di sensori di glutammato geneticamente codificati nelle piante", afferma Hedrich.

"Per quanto riguarda la struttura, la funzione e la regolazione dei canali recettoriali del glutammato e dei trasportatori del glutammato, al momento abbiamo più domande che risposte. È possibile che l'evoluzione ci mostri la strada qui. Nelle primissime piante terrestri, troviamo specie con un solo canale del recettore del glutammato. La domanda è se esiste una connessione tra l'evoluzione di questi canali e l'eccitabilità delle piante. Questo è ciò che siamo determinati a scoprire". + Esplora ulteriormente

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