danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-3-320-329dan-977Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYТранспорт органических анионов в клетках корня и его роль в процессах клеточной сигнализации у высших растенийTransport of organic anions in root cells and its role in cell signaling in higher plantsДемидчикВ. В.DemidchikV. V.

Демидчик Вадим Викторович – д-р биол. наук, профессор, декан

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Demidchik Vadim V. – D. Sc. (Biology), Professor, Dean

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

dzemidchyk@bsu.byГриусевичП. В.HryvusevichP. V.

Гриусевич Полина Вацлавовна – аспирант, мл. науч. сотрудник, ст. преподаватель

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Hryvusevich Palina V. – Postgraduate student, Junior researcher, Senior Lecture

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

hryvusevich@bsu.byВойтеховичМ. А.VaitsiakhovichM. A.

Войтехович Мария Аркадьевна – мл. науч. сотрудник, старший преподаватель

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Vaitsiakhovich Maryia A. – Junior researcher, Senior Lecture

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

vaitsiakhovichm@bsu.byТолкачеваЮ. В.TalkachovaJ. V.

Толкачева Юлия Витальевна – студент

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Talkachova Julia V. – Student

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

tolkachovajulia2020@gmail.comКулинковичА. В.KulinkovichA. V.

Кулинкович Александр Витальевич – студент

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Kulinkovich Aliaksandr V. – Student

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

kulinkovichav@gmail.comСоколикА. И.SokolikA. I.

Соколик Анатолий Иосифович – канд. биол. наук, доцент, заведующий лабораторией

пр. Независимости, 4, 220030, Минск, Республика Беларусь

Anatoliy Sokolik I. – Ph. D. (Biology), Associate professor, Head of the Laboratory

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus

sokolik@bsu.byБелорусский государственный университетBelarusian State University202115072021653320329Copyright © Демидчик В.В., Гриусевич П.В., Войтехович М.А., Толкачева Ю.В., Кулинкович А.В., Соколик А.И., 20212021Демидчик В.В., Гриусевич П.В., Войтехович М.А., Толкачева Ю.В., Кулинкович А.В., Соколик А.И.Demidchik V.V., Hryvusevich P.V., Vaitsiakhovich M.A., Talkachova J.V., Kulinkovich A.V., Sokolik A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/977

Обмен органических анионов имеет большое значение для метаболических, биоэнергетических и электрохимических процессов в растительной клетке, напрямую влияя на качественные и количественные показатели продуктивности, а также реакции стрессоустойчивости у высших растений. Тем не менее, процессы перераспределения и мембранного транспорта данных веществ в тканях растений пока исследованы крайне недостаточно, в частности, до сих пор не установлены механизмы выхода анионов из клетки так называемым пассивным путем, т. е. посредством ионных каналов. В настоящей работе с использованием метода локальной фиксации потенциала (Patch-Clamp) впервые выявлены и детально охарактеризованы анионные каналы клеток корня Arabidоpsis thaliаna, Triticum aestivum, Helianthus annuus, опосредующие выходящий поток важнейших органических анионов, таких как аскорбат, малат, глюконат, цитрат, фумарат и пропионат. Установлено, что данные транспортные системы обладают высокой проницаемостью для аскорбата, малата и цитрата, одновременно демонстрируя низкую проницаемость для фумарата, пропионата и глюконата. Анионные каналы клеток корня имеют быструю кинетику активации и низкую потенциал-зависимость, они также ингибируются 9-антраценкарбоновой кислотой, что указывает на их возможную принадлежность к семейству ионных каналов ALMT, которое существует только у высших растений. С использованием эквориновой хемилюминометрии протестировано воздействие органических анионов на процессы Са2+- сигнализации в корне, в результате чего показано, что аскорбат способен индуцировать повышение уровня цитоплазматической активности Са2+. Данный эффект может лежать в основе ранее неизвестных функций экзогенного аскорбата, связанных с обеспечением реакций ближней и дальней сигнализации у высших растений.

The organic anion balance is critical for metabolic, bioenergetic, and electrochemical processes in plant cells, controlling the quality and quantity of yield and plant stress resistance. Nevertheless, the redistribution and membrane transport of these substances in plant tissues have not been investigated in detail. The mechanism of passive anion efflux from a plant cell through the ion channels has not been established so far. Here, using the patch-clamp technique, we have characterized the ion channel-mediated conductances of ascorbate, malate, gluconate, citrate, fumarate, and pronionate in the root cells of Arabidopsis thaliana, Triticum aestivum, and Helianthus annuus. These conductances showed high permeability to ascorbate, malate, and citrate, as well as low permeability to fumarate, propionate, and gluconate. Anion channel conductances of root cells showed rapid activation kinetics and low potential dependence. They were also inhibited by 9-anthracenecarboxylic acid, suggesting that they belong to the ALMT family of anion channels found only in higher plants. Aequorin chemilu minometry was used to test the effect of organic anions on the Ca2+ signaling in root cells. Among four organic anions tested, only ascorbate induced a significant increase in the cytosolic Ca2+ activity at physiological levels (1 and 10 mM). This effect may underlie the previously unknown functions of exogenous ascorbate related to short- and long-distance signaling in higher plants.

органические кислотыанионный транспорткальциевая сигнализацияметод локальной фиксации потенциалаэлектрофизиология растенийэквориновая люминометрияArabidopsis thalianaTriticum aestivumHelianthus annuusorganic acidsanion transportcalcium signalingpatch-clampplant electrophysiologyaequorin luminometryArabidopsis thalianaTriticum aestivumHelianthus annuusReferencesOrganic acid metabolism in plants: from adaptive physiology to transgenic varieties for cultivation in extreme soils / J. López-Bucio [et al.] // Plant Sci. – 2000. – Vol. 160, N 1. – P. 1–13. https://doi.org/10.1016/s0168-9452(00)00347-2López-Bucio J., Nieto-Jacobo M. F., Ramı́rez-Rodrı́guez V., Herrera-Estrella L. Organic acid metabolism in plants: from adaptive physiology to transgenic varieties for cultivation in extreme soils. Plant Science, 2000, vol. 160, no. 1, pp. 1–13. https://doi.org/10.1016/s0168-9452(00)00347-2Igamberdiev, A. U. Role of organic acids in the integration of cellular redox metabolism and mediation of redox signalling in photosynthetic tissues of higher plants / A. U. Igamberdiev, N. V. Bykova // Free Radic. Biol. Med. – 2018. – Vol. 122. – P. 74–85. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2018.01.016Igamberdiev A. U., Bykova N. V. Role of organic acids in the integration of cellular redox metabolism and mediation of redox signalling in photosynthetic tissues of higher plants. Free Radical Biology and Medicine, 2018, vol. 122, pp. 74–85. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2018.01.016Malate transport by the vacuolar AtALMT6 channel in guard cells is subject to multiple regulation / S. Meyer [et al.] // Plant Journal. – 2011. – Vol. 67, N 2. – P. 247–257. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2011.04587.xMeyer S., Scholz-Starke J., De Angeli A., Kovermann P., Burla B., Gambale F., Martinoia E. Malate transport by the vacuolar AtALMT6 channel in guard cells is subject to multiple regulation. Plant Journal, 2011, vol. 67, no. 2, pp. 247–257. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2011.04587.xRoot exudation of primary metabolites: mechanisms and their roles in plant responses to environmental stimuli / A. Canarini [et al.] // Front. Plant Sci. – 2019. – Vol. 10. – Art. 157. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00157Canarini A., Kaiser C., Merchant A., Richter A., Wanek W. Root exudation of primary metabolites: mechanisms and their roles in plant responses to environmental stimuli. Frontiers in Plant Science, 2019, vol. 10, art. 157. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00157Anion channels/transporters in plants: from molecular bases to regulatory networks / H´el`ene Barbier-Brygoo [et al.] // Annu. Rev. Plant Biol. – 2011. – Vol. 62, N 1. – P. 25–51. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042110-103741Barbier-Brygoo H., De Angeli A., Filleur S., Frachisse J.-M., Gambale F., Thomine S., Wege S. Anion channels/transporters in plants: from molecular bases to regulatory networks. Annual Review of Plant Biology, 2011, vol. 62, no. 1, pp. 25–51. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042110-103741Hedrich, R. Biology of SLAC1-type anion channels – from nutrient uptake to stomatal closure / R. Hedrich, D. Geiger // New Phytol. – 2017. – Vol. 216, N 1. – P. 46–61. https://doi.org/10.1111/nph.14685Hedrich R., Geiger D. Biology of SLAC1-type anion channels – from nutrient uptake to stomatal closure. New Phytologist, 2017, vol. 216, no. 1, pp. 46–61. https://doi.org/10.1111/nph.14685Cytosolic malate and oxaloacetate activate S‐type anion channels in Arabidopsis guard cells / C. Wang [et al.] // New Phytologist. – 2018. – Vol. 220, N 1. – P. 178–186. https://doi.org/10.1111/nph.15292Wang C., Zhang J., Wu J., Brodsky D. E., Schroeder J. I. Cytosolic malate and oxaloacetate activate S‐type anion channels in Arabidopsis guard cells. New Phytologist, 2018, vol. 220, no. 1, pp. 178–186. https://doi.org/10.1111/nph.15292Characterization of anion channels in the plasma membrane of Arabidopsis epidermal root cells and the identification of a citrate-permeable channel induced by phosphate starvation / E. Diatloff [et al.] // Plant Physiol. – 2004. – Vol. 136, N 4. – P. 4136–4149. https://doi.org/10.1104/pp.104.046995Diatloff E., Roberts M., Sanders D., Roberts S. K. Characterization of anion channels in the plasma membrane of Arabidopsis epidermal root cells and the identification of a citrate-permeable channel induced by phosphate starvation. Plant Physiology, 2004, vol. 136, no. 4, pp. 4136–4149. https://doi.org/10.1104/pp.104.046995Zhang, W-H. Citrate-permeable channels in the plasma membrane of cluster roots from white lupin / W.-H. Zhang, P. R. Ryan, S. D. Tyerman // Plant Physiology. – 2004. – Vol. 136, N 4. – P. 3771–3783. https://doi.org/10.1104/pp.104.046201Zhang W.-H., Ryan P. R., Tyerman S. D. Citrate-permeable channels in the plasma membrane of cluster roots from white lupin. Plant Physiology, 2004, vol. 136, no. 3, pp. 3771–3783. https://doi.org/10.1104/pp.104.046201Демидчик, В. В. Неселективные катионные каналы плазматической мембраны клеток корня высших растений / В. В. Демидчик. – Минск, 2014. – 172 с.Demidchik V. Non-selective cationic channels of the plasma membrane of root cells of higher plants. Minsk, 2014. 172 p. (in Russian).The ALMT family of organic acid transporters in plants and their involvement in detoxification and nutrient security / T. Sharma [et al.] // Front. Plant Sci. – 2016. – Vol. 7. – Art. 1488. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01488Sharma T., Dreyer I., Kochian L., Piñeros M. A. The ALMT family of organic acid transporters in plants and their involvement in detoxification and nutrient security. Frontiers in Plant Science, 2016, vol. 7, art. 1488. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01488Miller, A. J. Cytosolic nitrate ion homeostasis: could it have a role in sensing nitrogen status? / A. J. Miller, S. J. Smith // Annals of Botany. – 2008. – Vol. 101, N 4. – P. 485–489. https://doi.org/10.1093/aob/mcm313Miller A. J., Smith S. J. Cytosolic nitrate ion homeostasis: could it have a role in sensing nitrogen status? Annals of Botany, 2008, vol. 101, no. 4, pp. 485–489. https://doi.org/10.1093/aob/mcm313Lipton, D. S. Citrate, malate, and succinate concentration in exudates from p-sufficient and p-stressed Medicago sativa L. seedlings / D. S. Lipton, R. W. Blanchar, D. G. Blevins // Plant Physiol. – 1987. – Vol. 85, N 2. – P. 315–317. https://doi.org/10.1104/pp.85.2.315Lipton D. S., Blanchar R. W., Blevins D. G. Citrate, malate, and succinate concentration in exudates from p-sufficient and p-stressed Medicago sativa L. seedlings. Plant Physiology, 1987, vol. 85, no. 2, pp. 315–317. https://doi.org/10.1104/pp.85.2.315Demidchik, V. Mechanisms of oxidative stress in plants: from classical chemistry to cell biology / V. Demidchik // Environmental and experimental botany. – 2015. – Vol. 109. – P. 212–228. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2014.06.021Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: from classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany, 2015, vol. 109, pp. 212–228. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2014.06.021Calcium transport across plant membranes: mechanisms and functions / V. Demidchik [et al.] // New Phytologist. – 2018. – Vol. 220, N 1. – P. 49–69. https://doi.org/10.1111/nph.15266Demidchik V., Shabala S., Isayenkov S., Cuin T. A., Pottosin I. Calcium transport across plant membranes: mechanisms and functions. New Phytologist, 2018, vol. 220, no. 1, pp. 49–69. https://doi.org/10.1111/nph.15266

The authors declare that there are no conflicts of interest present.