Документ. Курс лекций 2 Лекция физиология растений наука
 Скачать 1.59 Mb.
|
|
11.1. Ауксины. Ауксины синтезируются в растениях разными путями. Ранее считалось, что ИУК образуется единственным путем — из триптофана. Синтез ИУК идет как минимум в три стадии декарбоксилирование (удаления СО дезаминирование (удаление NH2- группы окисление. Для исследования метаболических путей, ведущих от триптофана к ИУК, получены мутанты, неспособные к синтезу триптофана, тем не менее у мутантов синтез ауксина не менялся. Очевидно, есть и другие пути синтеза ИУК, в которых триптофан не участвует. В некоторых растениях таких путей несколько триптофановый и «нетриптофановые». После образования ИУК может связываться с сахарами, аминокислотами или небольшими белками, образуя неактивные (запасные) формы. При необходимости ИУК освобождается из конъюгатов. ИУК образуется в период роста зародыша, а при созревании накапливаются ИУК- гликозиды. В проростках они транспортируются в апекс колеоптиля, где активный ауксин высвобождается и перераспределяется по колеоптилю в зависимости от освещенности. Колеоптиль — временный орган проростка злаков, необходимый для пробивания почвы. Внутри него заключена апикальная меристема побега, образующая стебель и листья. Именно в апикальной меристеме, а не в верхушке колеоптиля сосредоточен синтез ауксинов. ИУК может необратимо разрушаться. Это происходит либо специфически с помощью ИУК-оксидазы), либо неспецифически (полифенолоксидазой). Таким образом, по мере удаления от точки синтеза концентрация ауксинов падает за счет необратимого окисления и связывания в неактивные формы. В цитоплазме, среда более щелочная, чем снаружи, поэтому ИУК диссоциирует и становится ИУК -анионом. Выход ИУК из клетки активный — с помощью трансмембранных переносчиков, работающих с затратой энергии. Насосы (efflux carrier) расположены в нижней части клетки, что обеспечивает полярный транспорт. Переносящий белок конкурентно ингибируется трииодбензоатом (ТИБК). Получены мутанты, нечувствительные к ТИБК, у которых изменены белки-переносчики ИУК . Таким белком оказался PIN. При мутации pin полярный транспорт ауксина сильно снижается, что приводит к изменениям в морфологии растений, связанным с нарушением пространственного распределения ауксина. С белком PIN, выносящим ИУК из клетки, ассоциирована регуляторная субъединица, которая связывается с нафтилфталаминовой кислотой (НФК) — еще одним блокатором транспорта ИУК. На роль рецептора ауксина претендует белок АВР 1 (auxin binding protein). В больших количествах он обнаруживается в эндоплазматическом ретикулуме, откуда путем встраивания мембран ЭПР попадает в плазмалемму. Присутствие АВР 1 в плазмалемме показано с помощью специфических антител. При обработке протопластов эти антитела экранируют сайт связывания ауксина на АВР 1, ответы на ауксины блокируются. Через 60—120 с после связывания ауксина с рецепторами (АВР 1) и включения системы вторичных мессенджеров регистрируются токи Са2+ через мембрану, а через 5 — 7 мин активируется Н+-помпа и заметен эффект закисления апопласта (Н+ выходят из клетки. После первичной реакции на ауксин дальнейший 70 ответ зависит от положения клетки в целом растении. Ауксины — гормоны, вырабатываемые в апикальных меристемах побегов. Для растения в целом ауксиновый сигнал означает, что побег интенсивно растет и нужно обеспечивать его потребности. Образно ауксин можно назвать гормоном благополучия апекса побега. 11.2. Цитокинины. В клетке цитокинины образуются из аденина к нему присоединяется боковая изопентильная группа и это приводит к образованию цитокининового скелета. Далее происходит дефосфорилирование и отщепляется рибоза. Самый простой из цитокининов — изопентениладенин, который проявляет большую физиологическую активность, чем изопентениладенинрибозид, или изопентенил-АМФ. Другие цитокинины образуются при модификации изопентильного фрагмента (гидроксилирование, окисление, восстановление. Цитокинины в клетке присутствуют в активной и неактивной форме. Неактивные формы цитокининов — гликозиды и гликозиды по гидроксилам изопентенильного фрагмента. Присоединяя или отсоединяя сахара, клетка регулирует концентрацию активных цитокининов. Возможно необратимое разрушение цитокининов, поэтому по мере удаления от точки синтеза их концентрация падает. Выделены гены растений, белковые продукты которых связываются с цитокинином и имеют характерную для рецепторов структуру. Так, у белка CRE 1 (от cytokinine receptor) есть фрагмент, выступающий на наружную поверхность плазмалеммы и связывающийся с молекулой цитокинина. Ближе к С-концу в белке расположены гистидинкиназный домен и два домена, участвующие в переносе фосфатной группы (REC — Receiver domains). Предполагают, что рецептор цитокинина взаимодействует с МАР-киназной системой трансдукции сигнала. Цитокинины способствуют синтезу ДНК в клетке, контролируют фазу клеточного цикла у растений. Аденин с заместителями, похожими на радикал цитокининов, входит в состав тРНК. Если брать синтетические аналоги цито¬кининов (бензиламинопурин — БАЛ, то радикал-бензил появляется в тех же тРНК в характерном положении. По- видимому, цитокинин не встраивается в тРНК, происходит лишь переброска радикала с молекулы цитокинина на аденин тРНК. Цитокинины оказались во многом похожими на ауксины, но между ними есть и существенные различия. Главное отличие — у цитокининов иная точка синтеза. Если ауксины синтезируются в апексе побега, то цитокинины — биохимический маркер апекса корня. Ауксин транспортируется по растению сверху вниз и активно, а цитокинин — снизу вверх и пассивно. Цитокинины образно можно назвать гормонами благополучия апекса корня. С открытием цитокининов началось культивирование растительных клеток in vitro. Первым типом ткани, полученным из паренхимы табака, был каллус. В природе каллусы образуются в местах повреждения растению необходимо быстро зарастить шрам, заполняя его бесформенной массой клеток. Поврежденная проводящая система сосуды, покровные и механические ткани восстанавливаются позже. Клетки каллуса быстро делятся, веретено деления располагается в случайном направлении. При этом получается рыхлая клеточная масса. Для стимуляции деления клеток in vitro в среду добавляют и ауксины, и цитокинины. Показано, что ауксины активируют CDK-протеинкиназы клеточного цикла (cycline dependent kinases), а цитокинины — соответствующие циклины. 71 Комплекс CDK-циклин необходим для запуска клеточного деления. Изменение соотношения ауксин/цитокинин приводит к морфогенезу in vitro. При преобладании ауксинов начинается ризогенез (от греч. rhiza — корень genesis — рождение. Если же преобладают цитокинины, то образуются меристемы побегов, те. начинается геммагенез (от греч. gemma — почка. Такое поведение культуры клеток хорошо согласуется с функцией ауксинов и цитокининов как гормонов благополучия побегов и корней соответственно. Недостаток ауксинов воспринимается клетками как недостаточное развитие побегов и служит сигналом для их образования. В дифференцированных побегах синтезируется ауксин и баланс гормонов восстанавливается. Аналогичный механизм работает при недостатке цитокининов, тогда формируются корни. При удалении из среды и ауксинов, и цитокининов в культуре клеток иногда образуются биполярные структуры — эмбриоиды (embryo — зародыш eidos — похожий. У каждого эмбриоида есть свой источник цитокининов (корневой полюс) и ауксинов (побеговый полюс. Культуру клеток используют в технологиях ускоренного размножения растений. 11.3. Гиббереллины. Биосинтез гиббереллинов начинается в пластидах: из дезоксиксилулозо-5-фосфата образуются изопентенилпирофосфат, геранилпирофосфат и геранилгераниолпирофосфат. Ключевая стадия биосинтеза — циклизация последнего продукта с образованием энт-копалилдифосфата и энт-каурена, предшественника гиббереллинов. Энт-каурен покидает пластиду, и дальнейший синтез идет в ЭПР и цитозоле: он последовательно окисляется до энт-кауреновой кислоты, энтгидроксикауреновой кислоты, ГК12 -альдегида и ГК12 -кислоты. Далее биосинтез гиббереллинов разделяется на параллельные ветви, которые путем модификации радикалов и замыканием дополнительных циклов внутри молекул приводят ко всему разнообразию гиббереллинов. Физиологически активны далеко не все гиббереллины. Активны, в частности, ГК1 ГК3, ГК4, ГК7 и др. Физиологическая активность зависит от вида растения один и тот же гиббереллин может быть активен у одного видано не вызывает физиологического эффекта других. Биосинтез гиббереллинов контролируется многими факторами. Начальные стадии находятся под контролем развития (те. включаются на определенных этапах развития и дифференцировки. Переходы ГК12 → ГК9 и ГК53 → ГК20 зависят от продолжительности светового дня и уровня ауксинов. В этой точке метаболизма регулируется переход к цветению под действием гиббереллинов. На переход от ГК9/20 к активным ГК4/1 влияют как ауксины, таки красный свет. Эта стадия биосинтеза находится под контролем при прорастании семян. Рецепция гиббереллинового сигнала приводит к замедлению синтеза активных ГК, усиливает превращение активных ГК4/1 в неактивные ГК34/8. Как и большинство растительных гормонов, гиббереллины образуют с сахарами неактивные гликозиды (запасные формы гиббереллинов). Кроме того, в растениях есть специфические оксидазы, необратимо разрушающие гиббереллины до неактивных соединений. Пути передачи гиббереллинового сигнала изучены мало. Рецепторы, связывающиеся с гиббереллинами, еще не охарактеризованы. Показано, что в трансдукции сигнала участвует цГМФ. Был выделен мутант арабидопсис spy (spindly) с конститутивным ответом на гиббереллин: мутанты сильно вытягиваются, семена преждевременно прорастают и т. 72 п. Вероятно, белок SPY работает как N-ацетилглюкозаминтрансфераза, и гликозилирование является важным для репрессии ответа на гиббереллин. У мутантов spy репрессия снимается, и наблюдается постоянный ответ на гиббереллин, независящий от добавления ГК. Еще один белок гиббереллинового ответа был выделен благодаря мутации gai (GA-insensitive). Он оказался транскрипционным регулятором. Мутанты gai нечувствительны к гиббереллинам. Гиббереллины вызывают синтез специфических факторов транскрипции, которые обозначены как GAMyb. белки узнают последовательности в промоторах многих генов, например узнают промотор амилазы. Образно гиббереллины можно назвать гормонами благополучия зеленого листа. Гиббереллины вырабатываются в основном в фотосинтезирующих листьях, но могут синтезироваться ив корнях. Действуют гиббереллины прежде всего на интеркалярные меристемы, расположенные в непосредственной близости от узлов, к которым прикреплены листья. Это можно наблюдать при обработке гиббереллинами злаков растения сильно вытягиваются, механическая прочность соломины понижается, стебель полегает. Кроме того, при действии ГК у риса и кукурузы не образуется фертильная пыльца, поэтому при болезни баканоэ рис не дает урожая. Если наблюдать за ростом побегов деревьев, выяснится, что апикальная меристема активна только во второй половине лета (при закладке почки. Видимый рост побега идет весной из почки образуется длинный побег. Весенний рост целиком происходит за счет интеркалярных меристем. Почки растений неодинаковы. Так, почки конского каштана (Aesculus hippocastanea), тополя (Populus tremula), яблони (Malus domestica), березы (Betula pendula) покрыты почечными чешуями (катафиллами). Это видоизмененные листья, в которых идет фотосинтез. Междоузлия между почечными чешуями сохраняются короткими, а в основании побега остается почечное кольцо близко расположенные рубцы катафиллов). Выше лежат фотосинтезирующие листья, и чем больше их площадь, тем длиннее междоузлие подними. Видимо, крупный лист производит гиббереллина больше и дает более мощный сигнал в интеркалярную меристему. Клетки активнее делятся и растягиваются там, где больше гиббереллина. Междоузлие оказывается длиннее. Чешуевидные катафиллы почти не вырабатывают ГК, интеркалярная меристема не работает, образуется почечное кольцо. У крушины (Frangula alnus), дѐрена (Cornus albus), облепихи (Hippophae rhamnoides) почечных колец нет. Их почки прикрыты листьями, которые весной становятся хорошо развитыми и зелеными. Они подают ГК-сигнал вставочным меристемам, междоузлия растягиваются, возникает листовая мозаика. У ясеня (Fraxinus excelsa) весной катафиллы зеленеют, но они меньше типичных фотосинтезирующих листьев. Вставочные меристемы получают слабый сигнал, расстояния между катафиллами несколько увеличивается. Сложнее реагируют на гиббереллины розеточные растения. Вначале сезона они образуют прикорневую розетку крупных листьев, однако междоузлия не увеличиваются. Гиббереллиновый сигнал направляется к апексу побега, и, когда уровень ГК превышает некоторый порог, меристема образует соцветия. Междоузлия в соцветии гораздо длиннее, чем между листьями розетки. Таким образом, ГК-сигналы могут поступать в интеркалярные меристемы из нижележащих листьев. Биосинтез ГК ингибируется паклобутразолом (промышленный ретардант). Его используют в растениеводстве, когда высокие стебли нежелательны (многие цветки на коротких цветоножках эффектнее, чем на длинных. При обработке паклобутразолом получаются искусственные карлики. Из Голландии, например, экспортируют 73 карликовые хризантемы (Chrysanthemum), каланхоэ (Kalanchoe) и другие растения. Они пользуются большим спросом, но после продажи ретардант перестает действовать, синтезируется ГК и рост нормализуется. 11.4. Абсцизовая кислота. АБК является изопреноидом с 15 атомами углерода, соединенными в изопреновые С 5 -звенья. Обычно изопреноиды синтезируются в пластидах из общего предшественника — изопентенилпирофосфата. В ранних работах было высказано предположение, что АБК синтезируется сразу после конденсации трех С 5 -звеньев, те. эта гипотеза предполагает прямой синтез АБК из более простых предшественников. В дальнейшем прямой синтез АБК был показан только для фитопатогенных грибов (для возбудителя серой гнили Botrytis). Гипотеза прямого синтеза доминировала дох гг., пока не выяснилось, что у мутантов по биосинтезу каротиноидов нарушен и биосинтез АБК. На сегодня получены мутации по ферментам почти всех этапов биосинтеза АБК. Таким образом, АБК синтезируется через более сложные предшественники, можно рассматривать ее как продукт специфической деградации каротиноидов. Первые этапы биосинтеза АБК связаны с ксантофилловым циклом. Зеаксантин через промежуточный продукт антераксантин превращается в трансвиолаксантин. Дальнейшие превращения включают 9-цис-изомеризацию каротиноидного предшественника (на эту роль претендуют виолаксантин и неоксантин). В конечном итоге 9-цис-предшественник расщепляется на два неравных фрагмента С 15 (ксантоксин) и С. С 25 -фрагмент быстро деградирует, а ксантоксин превращается в абсцизовый альдегид. Для последнего этапа биосинтеза необходим молибденсодержащий белок, катализирующий окисление АБ-альдегида до АБК. Молибденовый кофактор этого фермента общий с нитратредуктазой и ксантиндегидрогеназой. При мутациях по синтезу молибденового кофактора растение не может восстанавливать нитрат и окислять АБ-альдегид. Белки-рецепторы АБК еще недостаточно охарактеризованы. Один из них — белок RPK 1 (receptor-like protein kinase) — является трансмембранным, связывается с АБК и содержит протеинкиназный цитоплазматический домен. Известны некоторые компоненты системы трансдукции АБК-сигнала. Так, сразу последействия АБК в замыкающих клетках устьиц из НАД синтезируется циклическая АДФ-рибоза, которая может активизировать Са 2+ -каналы Са 2+ поступает в цитоплазму из внутриклеточных депо, цитозоль подщелачивается. Высокий рН активизирует протеинфосфатазы ABI 1 и ABI 2, дефосфорилирующие гипотетический белок-репрессор АБК-сигнала. Пока репрессор фосфорилирован, он не дает проявляться ответам на АБК. Потеря фосфата инактивирует репрессор, и клетка отвечает на АБК. Если протеинфосфатазы неактивны, репрессор постоянно подавляет ответ на АБК, растение теряет чувствительность (ABA-insensitive — abi). Мутации Arabidopsis по этим фосфатазам идентифицированы как нечувствительные к АБК, а соответствующие гены названы ABI 1 и ABI 2. Предполагают, что в развитии ответа на АБК играют роль Са 2+ -волны, распространяющиеся с интервалом около 1 — 2 мин. В ответ на АБК у замыкающих клеток устьиц на плазмалемме открываются быстрые К + -каналы и медленные анионные каналы, через которые К, Си малат выходят из клетки. Осмотическое давление 74 понижается, выходит вода и теряется тургор, устьичная щель закрывается. Закрывание устьиц — очень быстрый ответ на АБК, и геномная регуляция не успевает включиться. Для активизации/инактивации генов в ядре важен белок ABI 3 у Arabidopsis (VP 1 у кукурузы, содержащий домены, характерные для активаторов транскрипции. Без ABI 3 или VP 1 не экспрессируются ЕМ-гены (от англ. embryo maturation), не идет синтез антоцианов, не накапливаются запасные белки в семенах и т. д. В соответствующих промоторах найден достаточно консервативный мотив — АБК-регулируемый консенсус (ABRC). Впрочем, одного белка ABI 3 или VP 1 недостаточно для активации транскрипции через мотив. Необходим довольно сложный транскрипционный комплекс, в который могут входить ЕМВ-белки (димерные транскрипционные факторы типа «лейциновой застежки. Повреждение белков ABI 3 или VP 1 в результате мутации ведет к нарушению процессов формирования зрелого семени и преждевременному прорастанию. Абсцизовая кислота появляется в клетке в ответ на изменение состояния воды, вызванный тремя факторами подсушиванием, повышением концентрации веществ в клетке, охлаждением. В этих случаях вода для клетки менее доступна, те. наблюдается водный дефицит. Для нормальной жизнедеятельности все молекулы должны находиться в определенных условиях оводнения. Белки и нуклиновые кислоты удерживают воду с помощью водородных связей. В клетке поддерживается также определенная ионная сила, что не менее важно для поддержания конформации биополимеров. Нехватка воды и повышение ионной силы приводят к денатурации биологически активных молекул. При повторном увлажнении вернуть им активность сложно. При стрессе клетка должна принять меры по сохранению конформации ДНК, РНК и белков. Этими обусловлены эффекты АБК. В ответ на АБК в клетке повышается уровень оксипролина, сахарозы и других осмотически активных веществ. Осмотическое давление увеличивается, что препятствует потере воды. Кроме этого в клетках появляется небольшой крайне гидрофильный белок осмотин, повышающий матричный потенциал воды. В клетках можно увидеть даже появление гранул, состоящих из осмотина. АБК усиливает синтез полиаминов (спермидина, путресцина. Полиамины несут положительный заряд (азот аминогрупп протонирован). Молекулы ДНК и РНК заряжены отрицательно, они легко ассоциируются с молекулами полиаминов, а в комплексах с полиаминами ДНК и РНК более устойчивы и к изменению ионной силы, и к обезвоживанию. Синтез новых ДНК и РНК под действием АБК прекращается, клетка переходит в состояние покоя. При холодовом стрессе главная задача клетки — не допустить кристаллизации воды, так как кристаллы льда нарушают структуру мембран. Опасен также эффект вымораживания растворенные вводе вещества не включаются в кристаллы льда ив незамерзшем растворе их концентрация повышается, те. увеличивается ионная сила. При охлаждении АБК останавливает синтез белков, ДНК и РНК, накапливаются полиамины, оксипролин, сахара и осмотин. Осмотически активные вещества препятствуют кристаллизации воды вода становится аморфной и не повреждает мембраны. От АБК зависит биосинтез антоцианов, те. при понижении температуры растения становятся красными (фиолетовыми, но физиологический смысл этой реакции пока неясен. Мутанты по синтезу АБК гибнут при легкой засухе и слабых заморозках. Хотя все защитные механизмы имеются, они не включаются без 75 абсцизовой кислоты. Если перед стрессом такие мутанты обработать АБК, их устойчивость повышается. Для предотвращения водного дефицита нужно закрыть устьица. Действительно, в ответ на АБК устичные щели закрываются за 10—15 мин. При почвенной засухе корень синтезирует АБК, передает этот сигнал листьями устьица закрываются. В сильную засуху растение сбрасывает часть листьев, чтобы избавиться от лишней испаряющей поверхности. |