Курсовая методика преподавания биологии. Курсовая работа 3 курс. Фитохром и его роль в регуляции роста растений
 Скачать 101.5 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Кафедра «Биолого-географическая» Курсовая работа по дисциплине «Физиология растений» Тема: «Фитохром и его роль в регуляции роста растений» Выполнил: ст. гр. БХпб-116 Шафорова Е.А Принял: ст. пр. Вахромеева А.А. Владимир 2018 ВВЕДЕНИЕ Одной из основных функций растения является его рост, он завистит от различных условий и факторов внешней среды: - свет( его интенсивность, спектральный состав, продолжительность и периодичность) - температура ( ее величина и периодичность) - питательные вещества ( их колличество и сбалансированность) - механические воздействия ( ветер и т.п.) Как известно, свет необходим растениям для того, чтобы осуществлять процесс фотосинтеза, но так же важно, но гораздо менее известно то, что красный, синий и ультрафиолетовый свет так же играют одну из важнейших ролей в регуляции роста и формообразования растений. Регуляция жизни растений красным светом производится с помощью фоторецептора, называющегося ( от phyton – растение и chroma – цвет, окраска).i Фитохром был открыт в 1960 году американскими физиологами Бортвиком и Хендриксом, а к 1963 году его присутствие было выявлено у множества растений. Он представляет собой пигмент сине-зеленого цвета. Фитохромная система дает растению возможность реагировать на такие факторы как: качество, интенсивность, и продолжительность освещения, изменяя при этом свои ростовые и формообразовательные процессы. Данные процессы имеют название фотоморфогенез.ii Фотоморфогенез играет значимую роль в приспособлении растений. Он синхронизирует рост растений, их цветение, клубнеобразование, переход почек в состояние покоя и другие процессы, происходящие в жизни ратсения, где задействованны суточные и сезонные изменения спектра солнечного света. Фитохром фиксирует различные изменения в соотношениях между красным( К) и дальним красным(ДК) светом, которое возникает под пологом листвы. Фитохром, с помощью осуществления этой операции позволяет светолюбивому растению выйти выйти из тени. Данный фоторецептор очень важен для оптимизации растением своей структуры, обеспечивая тем самым максимальное использование света в фотосинтезе. 1. Фитохром и его свойства. 1.1 Структура фитохрома. Молекула растительного фитохрома –гомодимер, мономеры которого являются хромопротеинами с молекулярной массой около 125 кДа, состоящими из примерно 1200 аминокислотных остатковiii Фитохром имеет белковую структуру (апопротеин), а так же к белку присоединен поглощающий свет пигмент. Белок фитохрома имеет молекулярную массу равную 250 кД. К каждой субъединице присоединена через тиоэфирную связь одна молекула хромофора (пигмент поглощающий свет). Он представляет собой тетрапиррол и имеет название фитохромобилин. Доминирование гидрофильных остатков в полипептидной цепи пигмента делает его водорастворимым, цитозольным протеином. Однако в структуре так же присутствуют и амфифильные участки, которые способны участвовать в белок-белковых взаимодействиях. С одной стороны, фитохром является фоторецептором, однако с другой он также является регулятором метаболизма. Фитохром находиться в различных органах растения. В клетке фитохром не имеет места постоянной локализации. Он может присутствовать как в цитоплазме, так и в органеллах. Механизм действия фитохрома сложен и еще до конца не изучен. Error: Reference source not found 1.2Формы существования фитохрома Фитохром существует в двух известных нам формах. Эти формы имеют свойство взаимопреваращаться одна в другую. Однако эти формы хорошо различимы по спектру поглощения. Одна из форм обладает длинноволновым максимумом поглощения. Форма ФХк, воспринимает К свет , далее эта форма превращается уже во вторую форму ФХдк. Форма ФХдк представляет из себя физиологитчески активную форму, она возбуждает активацию процессов, которые вызывает К свет. При воздействии ДК света рецептор возвращается в исходную форму ФХк, благодаря этому превращению реакция прекращается: ↓К свет ↓ФХк ФХдк физиологические реакции. ∙ДК свет. 1.2.1 Условия перехода форм фитохрома Для осуществления перехода из одной формы фитохрома в другую необходимо воздействие света: Ф660+hvФ730( фотоконвенсия) Ф730+hvФ660(обратная фотоконвенсия) Спектры , на которые распространяется действие фотоконвенсии и обратной фотоконвенсии очень близко соответствуют спектрам поглощения Ф660 и Ф 730. 1.3 Процесс фотоконвенсии (описание) Прямая и обратная фотоконвенсии – это многостадийные процессы. В результате поглорщения красного света хромофор в составе Фитокрома ФХк претерпевает цис-транс изомеризацию, в результате вращения молекулы относительно двойной связи между атомами тетрапиррола под номерами 15 и 16. В завершении данных процессов происходит превращение хромофора из форм ФХк фитохрома в форму ФХдк. Произошедшие изменения передаются на белок, тот в свою очередь претерпевает измениения в своей конформации, эти изменения приводят к возбуждению в клетке последовательной цепи сигналов, которая в свою очередь приводит к осуществлению процессов фотоморфогенеза или иным изменениям в жизни растения. Под действием ДК света молекула ФХ ДК формы превращается в ФХк. Разница между конформациями ФХк и ФХдк очень велики. Они велики настолько, что обнаружение их производят с помощью антител и ферментов , действующих на фитохром. Например, ФХдк фитохрома А гораздо чувствительнее к протеазам, чем Фхк. Физиологически активным является ФХдк. Действие импульса красного света можно ингибировать не только импульсом дальнего красного, но и частично света, так же действие импульса синего света можно обратить импульсом дальнего красного света. 2. Физиологические процессы, регулируемые в растениях светом с помощью фитохромной системы. 2.1 Процессы, активизируемые и ингибируемые ФХк и ФХдк. Фитохром принимает участие в различных физиологических процессах, регулируемых светом у зеленых водорослей, мхов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных растений, включая как двудольные, так и однодольные. В настоящем времени был обнаружен аналог фитохрома у представителей цианобактерий. Регуляция с помощью фитохрома была открыта на примере индукции красным светом прорастания семян, а затем подавление этого процесса с помощью дальнего красного света. Регуляция данных процессов с помощью факторов К и Дк света характерна для растений , виды которых имеют мелкие семена. Эта регуляция имеет важное приспособительное значение. Это можно пояснить тем, что мелкие семена не обладают достаточным количеством запаса питательных веществ, которые нужны для обеспечения роста проростков в темноте при прохождении его через толщу земли с большой глубины до поверхности. В результате этого мелкие семена способны прорастать только под действием воспринимаемого фитохромом красного света , который тонким слоем проникает через землю. Увеличение слоя этого света приводит к обогащению этого спектра Дк светом. Дк свет так же через фитохромный рецептор уже оказывает подавляющее действие на прорастание семян. У видов растений, которые имеют крупные семена, обладающие достаточным количеством запаса питательных веществ, для индукции прорастания даже с глубины 5-10 см свет не требуется. Свет, а именно красная часть его спектра, которую улавливает ФХк, ведет к немедленным морфологическим изменениям в росте этиолированных проростков, начинаются процессы: - торможение удлинения стебля - старт процессов утолщения стебля -распрямление крючка на верхушке стебля -начинают разворачиваться и зеленеть листья - начинается развитие в листьях хлоропластов (органеллы, осуществляющие фотосинтез) -растение переходит к самостоятельному питанию за счет процессов фотосинтеза Процесс диэтиоляции вызывает красный свет, который воспринимается с помощью ФХк, ингибирование процесса диэтиоляции осуществляется при поглощении дальнего красного света ФХдк. В природе регуляция данных процессов устроена намного сложнее. Когда проросток оказывается на поверхности земли, он попадает под влияние белого света. Белый свет содержит в себе как красный, так и дальний красный спектры света. Изменение соотношения этих двух спектров(спектр красного света и спектр дальнего красного света) зависит от нескольких условий и меняется при изменении этих условий соответственно. Соотношение двух спектров красного в белом свете зависит от таких условий как: - время дня -освещенность Воздействие дальнего красного света на растение вызывает у растения процесс, противоположный по своим функциям процессу диэтиоляции и активирует в растении такие процессы как: -активизация вытягивания стебля -ускорение роста стебля Активизация вышеуказанных процессов дает растению возможность подняться над остальными соседями, которые затеняют его и перейти уже к активному процессу фотосинтезирования. Роль фитохрома в регуляции деления хлоропластов и формирования фотосинтетического аппарата у растений. Не возможно не обратить внимание на то, что эффекты, вызываемые воздействием красного света через фитохром, могут начать проявляться через минуты (например: вращение хлоропласта в клетке водоросли Mougeotia) или же они могут начать проявляться только через недели, как это происходит при индукции процессов цветения. Так же следует учесть то, что обращение действия красного света под влиянием дальнего красного света может осуществляться лишь в течение определенного срока после процесса освещения красным светом. Эффекты, которые могут быть вызваны в процессе воздействия на фитохромную систему могут очень сильно различаться по своей потребности в таком факторе как интенсивность света. Поэтому эти процессы ( эффекты) решили классифицировать как раз учитывая этот самый признак ( потребность в интенсивности света). Как стало известно в настоящее время различные реакции, проявляемые растениями посредством работы фитохрома , проявляются через список различных генов.iv 2.2 Явление фотопериодизма у растений и участие в этом процессе фитохрома. Помимо всего вышеуказанного количества процессов, фитохромная система так же участвует в регуляции процессов цветения. Если обратить внимание на растения, то можно заметить, что все они зацветают в различное время вегетационного периода начиная с ранней весны ( так называемые подснежники) до самой осени. Наблюдая за данным явлением американские ученные Гарнер и Аллард в 1920 году сделали вывод, что важнейшую роль в этих процессах играет длинна дня. Это явление получило название фотопериодизма. Все растения получили классификации по фотопериодическому признаку и были разделены на несколько групп: - Растения длинного дня (14-16 часовой день или непрерывное освещение). При соблюдении данного периода освещения ускоряется процесс их цветения. ( растения северных широт) - Растения короткого дня, ускоряющие свое цветение при коротком ( 10-12 часов) световом дне.( растения южных широт) - Фотопериодически нейтральные растения( не реагируют либо слабо реагируют на длину светового дня) ( культурные растения южного происхождения, но перенесенные человеком в более северные ( высокие широты) – томат, подсолнечник, дыня.) Фотопериодическая реакция у растений имеет ряд физиологических особенностей. На протекание этой реакции влияет такои фактор как спектральный состав света. Развитие, а именно переход растения к процессам цветения у длиннодневных видов намного быстрее в случае воздействия на эти растения светом красного спектра ,а при воздействии на растение спектром синего света наблюдается ингибирование процессов . Развитие же короткодневных растений протекает в точности наоборот. При длительном воздействии синих лучей процессы цветения ускоряются, при воздействии лучей красного светового спектра процессы замедляются. Оказалось, что различные лучи светового спектра имеют различное влияние, а именно: - красные лучи оказывают влияние на развитее растений как свет вообще - синие лучи воздействуют как темнота Исходя из полученных данных, следует сделать вывод о том, что в растениях должен присутствовать какой-то компонент, воспринимающий воздействие красного света. Последующие исследования нашли тому подтверждение. Наблюдения показали, что для зацветания длиннодневных растений требуется не просто определенное число светлых часов (более 12ч), но длинный день должен быть непрерывным. То же самое и для короткодневных растений при коротком дне должна быть непрерывная ночь. Оказалось, что для зацветания совсем не обязательно постоянно держать растения на непрерывном дне или ночи, достаточно воздействия в течение определенного количества дней при благоприятных для данной группы растения условий. Это явление носит название фотопериодической индукции. Механизм фотопериодической реакции у растений может быть обьяснен нефотосинтетическим действием света, что связано с деятельностью фитохромной системы. В данный момент считают, что фитохром может проявлять свое влияние на различных уровнях: -молекулярный уровень (влияние на гистоны ядра и на гены непосредственно) - мембранный уровень (образование АТФ и биопотенциалов) -трофический уровень (активизация различных ферментов→регуляция синтеза жизненно необходимых веществ) Кроме вышеуказанного фитохром стимулирует все стороны роста клетки, как при вегетативном, так и при половом размножении, а так же осуществляет регуляцию двигательных реакций растений. Из этого стоит сделать вывод, что фитохром оказывает множественное воздействие на растение, а в итоге это все выражается в виде фотопериодической реакции.v 3. Основные фитохромы их взаимодействие и способы обнаружения. 3.1 Основные формы фитохромов и фитохром А в частности. Основными фитохромами являются ( далее в текте будет произведена замена сокращений ФХ, ФХк и ФХдк на phy, pr и pfr соответственно) phyA и phyB, они доминируют в клетке как в количественном соотношении, так и функциональноvi. По существу они определяют большинство фотоморфогенетических и фоторегуляторных функций у растений. PhyA является уникальной формой фитохрома во многих отношениях. Он является основным в растениях, выращенных в темноте, и наиболее активен в опосредовании светоиндуцированного перехода от ското- к фотоморфогенезу. Этот фоторецептор является наиболее чувствительным: он осуществляет так называемые сверхнизкоэнергетические фотоответы ( VLFR – very low fluence responses), и его спектр действия довольно обширен и простирается от ультрофиолетовой (УФ) до близкой инфракрасной области. PhyA является единственным типом фитохрома, который способен на опосредование фотоответов на действие света дальнего красного спектра высокой интенсивности. (FR-HIR- far red high irradiens reactions)vii В тоже самое время фитохром А способен осуществлять и так называемые « классические» фотоответы, которые индуцируются воздействием на него красного света (R) и ингибируются воздействием дальнего красного света (FR) (R/FR – обратимые процессы), которые относятся к процессам низкоэнергетических фотоответов (LFR – low fluence responses) , которые характерны для фитохрома B и минорных фитохромовviii. Так же одной из отличительных черт phyA является его высокая световая лабильность: при освещении содержание пигмента резко снижается, данный скачек вызван его светоиндуцированным разрушением и подавлением биосинтеза. В результате данного процесса phyB, который противоположно ему светостабилен и биосинтез которого не будет подвержен блокировке, станет фоторецептором, занимающим доминирующую позицию, как в количественном отношении, так и функционально в условиях роста растения на свету. Однако, не смотря на тот факт, что содержание phyA низко в растениях, выращенных на свету, его функциональная активность будет проявляться на протяжении всего жизненного цикла растения.ix 3.2 Функциональные взаимодествия phyA с phyB и их взаимозамещаемость. Как отмечают, взаимодействия между фоторецепторами могут быть позитивными, негативными, аддитивными или синергическими, и они могут быть различными для одной пары рецепторов для разных ответов. Для phyA и phyB два типа взаимодействия были установлены с помощью использования различных режимов обработки R и FR Антагонизм – phyA опосредует диэтиоляцию под красным светом ( постоянным или импульсным)и подавляет phyB – опосредовательную диэтиоляцию; проще говоря, под красным светом эффекты опосредуются преимущественно phyB и лишь во вторую очередь phyA. Синергизм – нет указаний, на взаимодействие phyA-phyB под FR светом, однако следует обратить внимание на то, что если импульсу красного света присутствует короткое освещение FR спектра, процессы диэтиоляции становятся значительными , это указывает на синергизм между этими двумя формами фитохромов. Таким образом, каким будет тип взаимодействия ( позитивным или негативным) между phyA и phyB зависит от типа действия phyA: - VLRF вызывает негативный эффект на действие phyB( антагонизм) -HIR напротив вызывает усиление действия phyB ( синергизм) Взаимодействие данных фитохромов происходит на субклеточном уровне ниже по цепи трансдукции сигнала от фоторецепторов. Эффекты антагонизма и синергизма могут включать взаимодействие между участниками каждого сигнального каскада, модулирование транспорта фитохромов в ядро, транскрипционный синергизм и др.x 3.3 Флуоресценция и фотохимия фитохрома. ( in planta- в растениях) После открытия фитохрома был развит и использовался в течении длительного периода времени только один неинвазионный метод его определения и изучения в растениях – классическая дифференциальная абсорбационная спектроскопияxi. Двадцать пять лет назад был разработан высокочувствительный метод ( примерно на два порядка чувствительнее предыдущего метода) и значительно более информативныйxii Флуоресценция фитохрома в этиолированных тканях была охарактеризована при 77-85К по спектрам излучения и возбуждения с максимумами в красной области при 686 и 673нм, соответственно с шириной полос 25-30 нм, стоксовским сдвигом 13нм и высоким квантовым выходом при низких температурах.xiii Излучение зависело от температуры, резко падая ( в десятки раз) при её повышении от77 до 273 К. Оно так же характеризовалось высокой степенью поляризации (≈0,4) Исходя из того, что концентрация фитохрома в этиолированных клетках растений очень мала и хлорофилл и другие порфирины так же присутсвуют в ней, было крайне важно строго доказать принадлежность зарегистрированного излучения именно фитохрому.xiv Это доказательство было осуществлено по следующим экспериментальным линиям: (а) спектр возбуждения этого красного излучения 720нм с полосами у 370 и 673 нм помле коррекции на фоновую флуоресценцию был очень близок к низкотемпературному спектру поглощения фитохрома invitro (б) близкое сходство спектров излучения и возбуждения зарегистрированной флуоресценции и флуоресценции фитохрома invitro (в) светоиндуцированные изменения флуоресценции были связаны с фотопревращением Pr в Pfr при комнатной температуре и в превый фотопродукт стабильный при низкой температуре , lumi-R (г) отсутствовала корреляция между наблюдаемой красной флуоресценцией и содержанием (прото)хлорофилл(-идов), как показано с использованием безхлорофильных мутантов. Была также зарегестрирована флуоресценция формы lumi-R insitu с квантовым выходом, близким к таковому Pr, и полосам возбуждения/излучения при 686 и 704нм Основываясь на зарегестрированной в этиолированных растениях флуоресценции фитохрома, был разработан новый высокочувствительный , информативный и относительно простой метод обнаружения в клетке фитохрома. Этот метод давал возможность дать характеристику фитохрома inplanta по целому ряду параметровxv (а) общему содержанию пигмента,( пропорциональному интенсивности флуоресценции фитохрома в его форме Pr) (б) спектрам излучения и возбуждения флуоресценции ( и спектру поглощения, конгруентному спектру возбуждения), положению их максимумов, и полуширине полос. (в) квантовому выходу флуоресценции при разных температурах (г) глубине фотопревращения исходной формы Pr в первый фотопродукт, стабильный при низкой температуре, Pr→lumi-R(85K) (д) глубине превращения в форму Pfr при комнатной температуре , Pr→Pfr(273К) (е) температурной зависимости квантового выхода флуоресценции и основанных на этом параметрах температурного тушения флуоресценции Pr (ж) температурной зависимости кинетик прямого (Pr→lumi-R) и обратного (lumi-R→Pr) фотопревращений и активационных характеристик этих процессов. Таким образом, этот метод оказался значительно более информативным, чем традиционный «классический» метод абсорбационной спектроскопии. Исходные ( неразностные) спектры поглощения фитохрома в растительных тканях не возможно получить из за того , что в них приусутсвуют такие факторы как: - высокое рассеяние света - очень низкая концентрация пигмента Наличие этих двух факторов делают невозможныс, в частности, прямое определение ключевых фотохимических параметров фитохрома γ1и γ2. Заключение Фитохромная система, находящаяся в растениях позволяет им реагировать на изменения спектрального состава света ( в основном это соотношение R и FR спектров) и реагировать на эти изменения соответствующими ростовыми и формообразующими процессами, которые и определяют процесс фотоморфогенеза. Фотоморфогенез в свою очередь играет огромную роль в приспособительных способностях растения. Система фитохромов позволяет растению реагировать даже на свет крайне низкой интенсивности излучения и в некоторых случаях, продолжающийся всего несколько секунд. Помимо всего фитохромная система способна осуществлять: -процессы прорастания семян -перестройку ростовых процессов (диэтиоляцию) -обеспечение растению оптимальную адаптацию к условиямосвещения, которая крайне необходима для его фотосинтетической активности -участие в регуляции цветения и многих других процессов в жизни растения. Так же необходимо заметить, что существуют разные формы фитохрома. Они способны оказывать влияние друг на друга, как положительное, так и отрицательное. Однако в любом случае, каким бы это влияние не было, оно осуществляется лишь для того, чтобы ускорить жизненно необходимые процессы в растении, или же замедлить те процессы, которые в данный момент жизни растительного организма наименее необходимы. Исходя из всех данных, можно сделать вывод о том, что роль фитохрома в жизни растений переоценить невозможно. iСписок использованных источников: Волотовский И.Д. Фитохром- регуляторный фоторецептор растений. Минск: Навука и техніка,1992. ii Уоринг Ф., Филипс И. Рост растений и дифференцировка. М.Мир,1984. iii В.А Синещеков Фитохром А: Полиморфизм и полифункциональность. , 2013 iv H.Smith., Физиологические и экологические функции в семействе фитохромов. Биол.1995. Vol.46 p.289-315 v Документ: Пермская Государственная Сельскохозяйственная Академия имени Д.Н. Прянишникова Предмет: Физиология и биохимия растений. vi Quail, 1994,1997,1998 vii Casal et.al.,1997; Whitelam and Devlin,1997 viii См. обзор Sineshekov, 2004 ix Franklin et. al., 2007 x Casal, 2000 xi Butler et. al., 1959 xii См Синещеков и Синещеков, 1986, 1987a-d, 1989; Sineshekov and Sineshekov,1989 xiii См. обзор Sineshekov,1995a флуоресценция и фотохимия фитохрома in vitro in vivo xiv см. обзор Sineshekov, 1995a xv См. Синещеков и Синещеков,1986, 1987a-d; Синещеков и др.,1989; Sineshekov,1994; Sineshekov and Rūdiger,1992; Sineshekov and Sineshekov,1989,1990 |