Para caçar moscas e outros pequenos animais, a dioneia tem que ser mais rápida que sua presa. Para isso, desenvolveu um órgão de captura que pode se fechar em uma fração de segundo e é controlado pelas redes de sinalização mais rápidas conhecidas em plantas. Um sinal elétrico conhecido como potencial de ação está no centro dessa rede. Quando uma mosca toca um dos seis pêlos sensoriais da armadilha de Vênus, um potencial de ação é gerado, armando a armadilha de pressão. Um segundo potencial de ação finalmente aciona o órgão de captura.
O fato de que os sinais elétricos permitem que a dioneia de Vênus capture a presa é conhecido há mais de 150 anos. Uma equipe liderada pelo professor Rainer Hedrich, biofísico da Universidade Julius Maximilians (JMU) Würzburg, Alemanha, agora investigou os componentes moleculares responsáveis ​​pela geração do potencial de ação – uma questão que antes era inexplorada. Na edição atual da revista Current Biology , os cientistas agora apresentam os resultados de seu trabalho. Seu foco está nos canais do receptor de glutamato e nas proteínas de transporte de íons que iniciam o potencial de ação e o mantêm em funcionamento.

Quando a dioneia se torna eletricamente excitável

Uma questão fundamental para a equipe era em que ponto de seu desenvolvimento o órgão de captura da dioneia se torna eletricamente excitável em primeiro lugar. A resposta foi dada pelo primeiro autor Sönke Scherzer:"Somente quando a armadilha está totalmente desenvolvida e se abre pela primeira vez, ela dispara seus potenciais de ação arquetípicos".

Um potencial de ação se manifesta como uma deflexão transitória do potencial de membrana de uma célula – a voltagem elétrica entre o interior e o exterior da célula. Durante um potencial de ação, o potencial de membrana tipicamente cai rapidamente durante a despolarização, apenas para subir novamente durante a repolarização subsequente, inicialmente acima do valor de repouso original antes de se aproximar lentamente de seu valor original novamente. O potencial de ação da dioneia de Vênus geralmente dura apenas um a dois segundos e se propaga como onda.

Para comunicação dentro da célula, bem como entre células, tecidos e órgãos, as plantas também usam ondas de cálcio, que são mediadas por Ca ²⁺ carregado positivamente íons, servindo como mensageiros secundários. "Usando flytraps que carregavam o gene para uma proteína repórter de íons de cálcio, conseguimos mostrar que os potenciais de ação e os sinais de cálcio não apenas operam de maneira coordenada, mas também se propagam na mesma velocidade", explica Rainer Hedrich.

Descoberta surpreendente na composição genética

Com a expertise de Ines Kreuzer e Anda Iosip, a equipe identificou então os genes que codificam essa via de sinalização. "A dioneia precisa de menos de meio dia para abrir seu órgão de captura pela primeira vez", diz Kreuzer. "Portanto, analisamos os genes que são expressos diferencialmente quando a armadilha entra em seu estágio excitável".

Entre os genes mais altamente expressos, a equipe de Würzburg identificou um canal de receptor de glutamato – uma observação surpreendente, diz o coautor Manfred Heckmann, presidente de fisiologia com foco em neurofisiologia na JMU. "O glutamato funciona como um neurotransmissor em humanos. Se os canais da planta realmente funcionam como canais receptores de glutamato também, a estimulação com glutamato deve desencadear um sinal de íons de cálcio e um potencial de ação", diz Heckmann.

Dos perfis de expressão gênica ao modelo AP

Os novos insights obtidos pela equipe de pesquisa de Würzburg permitem apenas uma conclusão:o influxo de íons de cálcio inicia o potencial de ação através do canal do receptor de glutamato. A questão permanece:como o potencial de ação ganha velocidade?

Após um exame mais detalhado dos genes, um canal de ânions, um canal de potássio e uma bomba de prótons chamaram a atenção da equipe como potenciais atores nesse processo. Com a ajuda do professor Ingo Dreyer, ex-bolsista da JMU, agora trabalhando como bioinformático de biofísica na Universidade de Calca, no Chile, eles puderam descrever o processo em detalhes.

Assim, os íons de cálcio que entram nas células armadilha através dos canais do receptor de glutamato representam o ignitor. Como segundos mensageiros, eles iniciam a abertura dos canais aniônicos. O efluxo de ânions resulta na despolarização do potencial de membrana. A despolarização, por sua vez, abre canais iônicos de potássio, iniciando a fase de repolarização via efluxo de potássio. À medida que a repolarização progride, a bomba de prótons assume o controle para retornar o processo ao seu estado inicial.

O potencial de ação complexo da dioneia de Vênus

Então, comparado às suas vítimas, o potencial de ação da dioneia é muito mais complexo. "Enquanto o potencial de ação de humanos e moscas é baseado em apenas um canal de sódio e um de potássio, a dioneia possui dois componentes adicionais", explica Rainer Hedrich.

Assim, um parente do canal de potássio da mosca, juntamente com a bomba de prótons, garante a repolarização do potencial de ação na armadilha da mosca. Os canais de sódio não desempenham nenhum papel neste processo nas plantas. Em vez disso, a despolarização do potencial de ação do flytrap é alcançada pela ação conjunta de um canal de cálcio do receptor de glutamato e um canal de ânion dependente de cálcio.

Perspectivas e pesquisas futuras

Os genomas das plantas codificam cerca de 20 canais de receptores de glutamato, mas não possuem sinapses. Para que a planta precisa de tantos receptores? De onde vem o glutamato durante a estimulação e como é mantido no estado de repouso? A equipe de Hedrich planeja abordar essas questões em estudos futuros. "Em breve poderemos esclarecer isso com a ajuda de sensores de glutamato geneticamente codificados em plantas", diz Hedrich.

"No que diz respeito à estrutura, função e regulação dos canais receptores de glutamato e transportadores de glutamato, atualmente temos mais perguntas do que respostas. É possível que a evolução esteja nos mostrando o caminho até aqui. Em plantas terrestres muito primitivas, encontramos espécies com apenas um canal receptor de glutamato. A questão é se existe uma conexão entre a evolução desses canais e a excitabilidade das plantas. É isso que estamos determinados a descobrir." + Explorar mais

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