«Рост и развитие растений»

Untitled

В.В. Чуб

РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ.

Оглавление

7.1. Общее представление о росте и развитии.

7.1.1. Параметры роста.

7.1.2. Кривая роста.

7.1.3. Дифференцировка.

7.1.4. Тотипотентность. Терминальная дифференцировка.

7.1.5. Периодизация индивидуального развития.

7.1.6. Проблема старения у растений.

7.2. Гормональная система растений.

7.2.1. Введение.

7.2.1.1. Регуляторные молекулы растений.

7.2.1.2. Рецепция и усиление сигнала.

7.2.1.3. Фосфатидил-инозитольная система вторичных мессенджеров.

7.2.1.4. Взаимодействие сигналов.

7.2.2. Ауксины - гормоны роста побега.

7.2.2.1. История открытия ауксинов.

7.2.2.2. Биосинтез и деградация ауксинов.

7.2.2.3. Транспорт ауксинов.

7.2.2.4. Физиологические эффекты ауксинов.

7.2.2.5. Ауксины и неоднородность внешней среды.

7.2.2.6. Ауксин и плоды.

7.2.2.7. Ауксин как гербицид.

7.2.2.8. Гравитропизм.

7.2.3. Цитокинины - гормоны корневого апекса.

7.2.3.1. История открытия.

7.2.3.2. Биосинтез и инактивация цитокининов.

7.2.3.3. Эффекты цитокининов от апекса корня до апекса побега.

7.2.4. Взаимодействие ауксинов и цитокининов.

7.2.4.1. Физиологическое действие ауксинов и цитокининов в культуре in vitro.

7.2.4.2. Баланс между ауксинами и цитокининами в интактном растении.

7.2.4.3. Цитокинины и паразиты растений.

7.2.5. Гиббереллины - гормоны листа.

7.2.5.1. История открытия.

7.2.5.2. Биосинтез гиббереллинов.

7.2.5.3. Основные физиологические эффекты гиббереллинов.

7.2.5.4. Гиббереллины и прорастание зерна.

7.2.5.5. Гиббереллин и проявление пола у растений.

7.2.5.6. Гиббереллин и цветение растений.

7.2.6. Абсцизовая кислота - сигнал водного стресса.

7.2.6.1. Окрытие абсцизовой кислоты.

7.2.6.2. Биосинтез абсцизовой кислоты.

7.2.6.3. Передача АБК-сигнала.

7.2.6.4. АБК-гормон осмотического стресса.

7.2.6.5. Регуляция покоя семян АБК.

7.2.6.6. Синдром дифицита АБК.

7.2.6.7. АБК и форма листьев.

7.2.7. Этилен - сигнал механического стресса.

7.2.7.1. Открытие физиологической роли этилена.

7.2.7.2. Биосинтез этилена.

7.2.7.3. Рецепция и передача сигнала.

7.2.7.4. Этилен как гормон механического стресса.

7.2.7.5. Этилен и прикосновение.

7.2.7.6. Этилен и заживление ран.

7.2.7.7. Регуляция листопада в умеренных широтах.

7.2.7.8. Формирование и созревание плодов.

7.2.7.9. Биотический стресс.

7.2.7.10. Этилен и цветение ананасов.

7.2.8. Другие гормональные вещества растений.

7.2.8.1. Брассиностероиды.

7.2.8.2. Жасминовая кислота.

7.2.8.3. Салициловая кислота.

7.2.8.4. Олигосахарины.

7.2.8.5. Короткие пептиды.

7.3. Рецепция световых сигналов.

7.3.1. Введение.

7.3.1.1. Основные принципы фоторецепции.

7.3.1.2. Физиологически важные области спектра. Фитохром и криптохром.

7.3.2. Фоторецепция в красной области спектра: фитохромная система.

7.3.2.1. История открытия фитохрома.

7.3.2.2. Фотоконверсия фитохрома. Фитохром А и фитохром В.

7.3.2.3. Этиоляция и деэтиоляция.

7.3.2.4. Избегание тени.

7.3.2.5. Регуляция прорастания семян.

7.3.2.6. Взаимодействие внутренних часов и фитохромная система.

7.3.3. Фоторецепция в синей области спектра: криптохром и фототропин.

7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей области спектра.

7.3.3.2. Криптохром - рецептор синего света, локализованный в ядре и цитоплазме.

7.3.3.3. Фототропин - мембранный рецептор синего света .

7.3.3.4. Суперхром - "кентавр" с головой фитохрома и туловищем фототропина.

7.4. Регуляция роста и развития растений.

7.4.1. Эндогенные факторы развития растений.

7.4.1.1. Образование листьев.

7.4.1.2. Переход к цветению.

7.4.1.3. Образование цветка.

7.4.1.4. Заключение.

7.4.2. Влияние внешних факторов на рост и развитие.

7.4.2.1. Пищевые ресурсы экотопа. Регуляция цветения элеменами минерального питания.

7.4.2.2. Фотопериодизм и климатические факторы.

7.4.3. Фотопериодизм.

7.4.3.1. История открытия фотопериодизма.

7.4.3.2. Опыты М.Х.Чайлахяна.

7.4.3.3. Гормональная теория цветения М.Х.Чайлахяна.

7.4.4. Термопериодизм. Стресс-периодизм.

7.4.4.1. Сезонная специализация растений.

7.4.4.2. Термопериодизм: стратификация и яровизация.

7.4.4.3. Опыты М.Х.Чайлахяна.

7.4.4.4. Стресс-периодизм.

7.5. Заключение

7.6. Физиология растений и прогресс сельскохозяйственных технологий.

7.6.1. Минеральные удобрения и зеленая революция.

7.6.2. Вторая зеленая революция.

7.6.3. Биотехнология.

7.6.4. Генная инженерия растений.

В настоящее время наблюдается дефицит учебной литературы по физиологии растений для ВУЗов. Последний раз большим тиражом учебник издавался в 1986 году, и многие сведения с тех пор успели устареть или существенно пополниться. В результате преподаватели МГУ не могут рекомендовать учебник, который соответствовал бы современным требованиям, а подготовка к экзамену исключительно по конспектам лекций имеет большие недостатки. Чтобы повлиять на создавшееся положение кафедра физиологии растений МГУ подготовила учебник, в который вошли традиционные разделы физиологии растений в современном изложении.

Начальные главы посвящены 1) клетке, 2) энергетическим процессам метаболизма, 3) фотосинтезу, 4) дыханию, 5) водному режиму, 6) минеральному питанию растений. Далее следует представленная глава "Рост и развитие растений", которая обозначена как "Глава 7". Заключают учебник главы по 8) устойчивости растений и 9) вторичному метаболизму.

Издание учебников - медленный процесс, который очень трудно корректировать и обновлять по мере подготовки к печати. Кроме того, очень существенны технические ограничения (например, объем издаваемой книги), которые не позволяют изложить материал достаточно полно, что приводит к конспективному "сухому" изложению. А конспект воспринимается намного хуже, чем полный текст.

Приемлемый выход из создавшейся ситуации - размещение учебных материалов на сайте кафедры. Глава 7 "Рост и развитие растений" является пробным шаром, и мы надеемся, что со временем здесь же будут размещены другие главы нашего электронного учебника. По мере обновления курса лекций главы будут расширяться и обновляться.

Материалами могут воспользоваться студенты при подготовке к семинарам и экзаменам, а также преподаватели, перед которыми стоит задача прочитать курс физиологии растений. Все материалы защищены авторским правом и не могут быть использованы в коммерческих целях.

Глава 7. РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ.

7.1. Общее представление о росте и развитии.

7.1.1. Параметры роста.

В русском названии "растение" заключено фундаментальное свойство растений - способность к росту в течение всей жизни. Если растение не растет, это означает, что оно находится в стрессовых условиях или погибло. Таким образом, феномен роста сопровождает растение всю жизнь.

Казалось бы, о росте можно судить по увеличению общей (сырой) биомассы растения. Однако, сырая биомасса может не только увеличиваться, но и уменьшаться. Это случается в период засухи (запасающие воду ткани постепенно теряют воду). При выходе из стрессового состояния клетки просто поглощают воду и сырая масса увеличивается. Интуитивно ясно, что в приведенном примере увеличение сырой биомассы говорит о выходе из состояния стресса, а не о росте растения.

В процессе роста должен происходить биосинтез новых веществ, поглощение и накопление элементов минерального питания. В результате увеличивается сухая биомасса. Взятый в отрыве от других критериев роста, этот показатель также может оказаться ошибочным. Так, при прорастании семян сухая биомасса обычно уменьшается (накопленные вещества расходуются в процессе дыхания, а поглощение минеральных веществ и ассимиляция углекислоты отстают от этого процесса). Рост происходит, но сухая масса при этом падает.

Еще один показатель процесса роста растения - увеличение числа клеток в результате клеточных делений. Если число клеток растет, можно уверенно говорить о росте, но простоянное число клеток еще не говорит об отсутствии роста (в зоне растяжения корня увеличение числа клеток незначительно, а рост идет).

О росте можно судить и по увеличению линейных размеров (например, высоты растения, длины корня, ширины листа и т.д.).

Таким образом, ростом можно назвать необратимое увеличение растения хотя бы по одному из параметров роста: по числу клеток, линейным размерам, сырой и/или сухой биомассе.

Самым быстрым и экономичным способом роста является рост растяжением, при котором происходит сильная вакуолизация клеток. Для растяжения основными "строительными материалами" являются вода и углеводы (целлюлоза, пектин и др.). При хорошем увлажнении и освещении недостатка в этих веществах растения не испытывают. Для обеспечения клеточных делений необходим приток минеральных веществ (прежде всего - азота, фосфора и др. макроэлементов).

7.1.2. Кривая роста.

Хорошей модельной системой для изучения процессов клеточного роста является культура растительных клеток in vitro. Для полноценного роста в среду необходимо добавить источники углеводов (сахара), элементы минерального питания и некоторые ростовые факторы, самыми важными из которых являются ауксины, цитокинины (см. разделы 7.2.2, 7.2.3, 7.2.4). При постоянном перемешивании в жидкой культуральной среде растительные клетки образуют небольшие агрегаты (по 5-25 клеток). Такой способ выращивания клеток называют суспензионной кльтурой. В суспензионной культуре клетки находятся примерно в одинаковых условиях, в образцах суспензии легко измерять число клеток, сырую и сухую биомассу.

Понятно, что питательную среду в этой системе приходится время от времени заменять свежей. При самом распространенном способе выращивания клетки периодически пересаживают в новую среду, поэтому такой способ называют периодической культурой.

Если построить график изменения параметров роста от времени в периодической суспензионной культуре, получится кривая роста.(см. рис.7.1). На этой кривой можно выделить несколько характерных участков. На начальной стадии клетки не растут, их число и биомасса не изменяется. Этот период роста называется лаг-фазой. В течение лаг-фазы клетки адаптируются к новым условиям, происходит изменение химического состава среды (кондиционирование). Чем больше исходная плотность растительных клеток, тем короче лаг-фаза.

За лаг фазой следует фаза экспоненциального роста. Значительное число клеток вовлекается в клеточные деления, сами клетки слабо вакуолизированы. Интенсивно используются ресурсы питательной среды.

За экспоненциальным ростом идет фаза замедления роста - число клеток, участвующих в митозах, постепенно уменьшается, нарастает число вакуолизованных клеток. (Иногда между фазой экспоненциального роста и фазой замедления роста выделяют фазу линейного роста).

Как неизбежное следствие исчерпания ресурсов среды, наступает стационарная фаза - кривая роста выходит на плато, число клеток и их биомасса меняется слабо, митотический индекс падает. Обычно на этой стадии периодическую суспензионную культуру пересаживают. Если этого не сделать, наступает фаза деградации - клетки начинают интенсивно гибнуть.

Кривая роста, полученная для периодической суспензионной культуры, достаточно показательна. Аналогичные кривые можно получить и на целых растениях (например, у однолетних монокарпиков, к которым относятся многие культурные растения). Лаг-фазу можно сравнивать с периодом покоя семени, на начальных этапах рост идет медленно, все более усиливаясь по мере развития фотосинтетического аппарата (экспоненциальный рост). Затем идет замедление роста, связанное с формированием цветков и плодов, в конце жизни растение больше не растет (фаза стационара) и после плодоношения погибает (деградация). Получение кривых роста для деревьев более трудоемко (трудно точно оценить биомассу и количество клеток, до фазы деградации иногда приходится ждать 400 и более лет и т.д.), но общий характер кривой роста сохраняется.

В природе растение подвергается действию внешних факторов, которые могут значительно изменать характер кривой роста. Даже в благоприятных условиях растения растут с различной скоростью днем и ночью (различается температура, испарение и поступление воды и минеральных веществ, доступность фотоассимилятов). При этом в течение суток наблюдаются периоды интенсивного роста и кратковременные "стационарные" периоды. Для роста дерева характерны сезонные колебания роста (наиболее известный пример - различная скорость отложения древесины). Каждая почка растения растет в соответствии с S-образной кривой роста. И в этом случае внешние факторы обусловливают чередование интенсивного роста с фазой "стационара", которая стыкуется с лаг-фазой следующего ритма роста. Общая кривая роста оказывается оставленной небольшими (разномасштабными) S-образными участками. Таким образом, кривая роста в природных условиях имеет более сложный характер, по сравнению с кривой роста в периодической суспензионной культуре.

7.1.3. Дифференцировка.

Термин "дифференцировка" происходит от латинского differentia - "разница", "различие". Это понятие было введено для обозначения процесса приобретения различий между клетками (тканями, органами, системами органов и т.д.). Предполагается, что есть начальное недифференцированное состояние, когда наблюдатель не может установить различий между клетками, а затем видимые различия приобретаются, и клетки становятся дифференцированными.

Традиционно недифференцированными считают:

1) делящиеся клетки эмбриона;

2) меристематические клетки (в апикальных меристемах корня и стебля, камбии, феллогене, интеркалярных меристемах и т.д.);

3) клетки, неорганизованно делящиеся в экспериментальных условиях (суспензионная и каллусная культура in vitro).

В растительном организме клетки, покинувшие зону деления, приступают к дифференцировке. Результат этого процесса можно увидеть, например, при образовании проводящей системы. Сначала возникает прокамбий, из которого дифференцируются флоэма, ксилема и камбий. Внутри флоэмы дифференцируются ситовидные элементы и клетки-спутницы, в ксилеме - паренхимные клетки и трахеиды. Проводящий пучок может быть усилен дифференцирующимися механическими тканями и т.д. В приведенном примере клетки постепенно приобретают анатомические различия в связи с выполняемыми функциями, многообразие клеток растет.

Этапу анатомической дифференцировки предшествует биохимическая дифференцировка. При биохимической дифференцировке видимых различий между клетками мало, однако клетки не одинаковы по содержанию тех или иных веществ. Наиболее удобно следить за появлением новых или снижением уровня старых м-РНК и белков (дифференциальной экспрессией генов). Полученные данные позволяют зарегистрировать различия между клетками раньше, чем они станут видимыми на анатомическом уровне. Таким образом, дифференцировка начинается с процесса изменения активности генома, экспрессии одних генов и с подавления активности других.

При таком подходе делящиеся клетки меристемы также придется считать дифференцированными, поскольку для прохождения клеточного цикла необходима определенная активность генома, которая и будет отличать эти клетки от других (т.е. у них будет отличие, differentia). Любопытно, что еще анатомы обратили внимание на неоднородность клеток меристемы. Можно сказать, что апикальная меристема корня дифференцирована на каллиптроген (инициали чехлика), дерматоген (инициали эпидеральной ткани), инициали коры, покоящийся центр и инициали осевого цилиндра. Для каждой из групп делящихся клеток характерна определенная локализация, направление веретена делений и тип производных клеток. Исследование меристемы методами молекулярной генетики показывает, что обнаруженная анатомами дифференцировка меристемы на зоны совпадает с зонами дифференциальной экспрессией определенных генов. Более того, саму меристему вцелом можно достаточно четко выделить по зонам дифференциальной экспрессии. Таким образом, меристема является биохимически дифференцированной тканью.

По-видимому, дифференциальная экспрессия генов является фундаментальным проявляением дифференцировки, и, как это ни парадоксально, недифференцированных клеток вообще не существует. Понятие "недифференцированный" хорошо работает только там, где в соответствии с задачами исследования исходные различия между клетками не учитываются (или нет методов их обнаружить).

Таким образом дифференцировкой можно назвать процесс изменения профиля генной активности, приводящий к дальнейшему изменению функции клеток.

7.1.4. Тотипотентность. Терминальная дифференцировка.

В эмбриологии животных часто процесс дифференцировки изображают в виде сложного "ландшафта", по которому катится шар. Шар - это символ зиготы - клетки, из которой возникает новый организм. В местах развилок шар "совершает выбор" и скатывается по одной из нескольких возможных траекторий. Так и продукты деления зиготы направляются по тому или иному пути дифференцировки. При этом клетки теряют "морфогенетический потенциал". Все "траектории" заканчиваются в "море", символизирующем смерть организма. Если в начале пути у шара-"клетки" было много потенциальных возможностей, то по мере приближения к "морю" этих возможностей становится все меньше (Рис.7.2).

По имени ученого, впервые предложившего эту аналогию, "ландшафт" называют "морфогенетическим ландшафтом Уоддингтона". Процесс дифференцировки оказывается равносильным потере морфогенетического потенциала.

В отличие от клеток животных, большинство клеток растений даже после анатомической дифференцировки легко переходят к делению. Такой процесс можно назвать дедифференцировкой (потерей специализации). При механическом повреждении растения, а ткаже в экспериментальных условиях дедифференцировка приводит к образованию каллуса - ткани, которая характеризуется быстрым ростом и отсутствием строгой пространственной организации веретен деления.

В каллусной культуре можно вызвать образование новых органов растения (корней, побегов, эмбриоидов)(см. раздел цитокинин). При отсутствии видимого порядка каллусная ткань частично сохраняет профиль генной активности, характерный для исходных тканей. Это легко показать на примере каллусов, полученных из вегетативных тканей листа (при соответствующей обработке они развивают вегетативные побеги), из цветоножек (каллус в тех же условиях развивает цветки) и из стенок завязи (образуются рыльца). Из большинства клеток можно получить новые растения, что невозможно для клеток животных.

Практически любая клетка многоклеточного организма содержит полный набор генов, необходимый для формирования интактного ораганизма. Однако, долеко не каждая клетка может дать начало целому организму. Свойство клетки реализовать при определенных условиях имеющуюся у нее генетическую информацию и дать начало целому организму, называется тотипотентностью (totalis - общий, целый; potentia - способность). Тотипотентность клеток растения сравнительно легко реализовать, тогда как большинство животных клеток не могут пойти по пути делений и образовать новый организм. Таким образом, понятие дифференцировки в том смысле, в котором его применяют в биологии животных (как снижение морфогенетического потенциала) трудно приложить к тотипотентным растительным клеткам. Заметим, что морфогенетический потенциал растительных клеток долго остается высоким.

Однако, в растениях есть глубоко специализированные клетки, которые не вступают в клеточный цикл. В пределе это мертвые клетки ксилемы или живые клетки ситовидных элементов, которые теряют ядро. В более мягких случаях за счет эндоредупликации без деления клетка увеличивает плоидность. Например, у Arabidopsis перед образованием суспензора содержание ДНК повышается до 1024с на клетку, для одноклеточных волосков этот показатель составляет около 32с, для растягивающихся клеток гипокотиля - 8с. Как результат, все эти клетки выполняют присущие им функции и не могут дедифференцироваться. Именно к ним можно применить понятие терминальной дифференцировки (необратимый процесс, после которого клетка не может дедифференцироваться и реализовать свою тотипотентность).

Для клеток с терминальной дифференцировкой аналогия Уоддингтона оказывается справедливой: вместе с потерей тотипотентности у клеток снижается морфогенетический потенциал, и в результате клетка гибнет.

7.1.5. Периодизация индивидуального развития.

Если рост можно охарактеризовать как количественное явление, то развитие - это качественное явление. В процессе развития на растении появляются новые структуры.

В развитии растения принято выделять следующие этапы: эмбриональный, ювенильный, (иногда - виргинильный), генеративный, сенильный. Нетрудно увидеть параллели как с кривой роста (лаг-фаза, экспоненциальный рост, замедление роста, стационар, деградация), так и с периодизацией жизни человека (внутриутробный, детство, юность, зрелость, старость).

Эмриональный период начинается от момента слияния яйцеклетки и спермия (т.е. от образования зиготы). Первые стадии очень похожи у голосеменных и цветковых: зигота делится поперек, образуя материнскую клетку суспензора (нижняя клетка) и будущий проэмбрио (верхняя клетка). В суспензорной части деления ориентированы в плоскости первого деления зиготы, в результате образуется суспензор ("подвесок"), который продвигает зародыш вглубь эндосперма. В будущем зародыше два деления происходят в меридианальной плоскости, и еще одно - в экваториальной. Дальнейшие деления приводят к дифференцировке протодермы (покровная ткань зародыша) и внутренней паренхимы. Зародыш имеет шаровидную форму. Эта стадия развития называется глобулой (рис. 7.3).

Дальнейший сценарий развития зависит от систематической группы, к которой принадлежит растение. У двудольных синхронно начинают рост две семядоли, что приводит к стадии сердечка, а затем - торпедо. У голосеменных семядолей больше, чем 2, поэтому форма зародыша заметно отличается от сердцевидной. У однодольных единственная семядоля, которая часто оттесняет апекс побега из верхушечного положения, так что почечка кажется боковой.

У некоторых растений на эмбриональной стадии формируются уникальные органы (например, щиток, колеоптиль и колеориза у злаков или гаустория на верхушке семядоли у лука).

Эмбриональный этап заканчивается переходом в состояние покоя, которое может наступать (в зависимости от группы растений) как на очень ранних стадиях (например, на стадии глобулы, как у орхидных), так и после формирования одного или нескольких примордиев настоящих листьев.

После периода покоя начинается ювенильный период. Его можно разделить на стадию проростка (пока функционируют семядоли и другие зародышевые органы), собственно ювенильный этап (когда растение наращивает вегетативную массу). Некоторые исследователи выделяют отдельную виргинильную стадию, когда растение по всем признакам не отличается от генеративного, но еще не цветет. Генеративный этап роста характеризуется цветением и плодоношением.

Длительность каждого из этапов, а также число стадий, на которые можно разбить процесс развития, заметно варьирует в зависимости от жизненной стратегии растения. У однолетних растений ювенильный этап может оказаться достаточно коротким и его трудно разделить на отдельные фазы. У многолетников, напротив, ювенильный этап может занимать несколько лет (у колокольчиков - 2 года, у тюльпанов - 4-5 лет, у пионов 7-9 лет и т.д.). Чем длиннее ювенильный период, тем больше соблазн разделить его на отдельные стадии. Генеративный период бывает продолжительным только у поликарпиков (растений, которые способны цветси и плодоносить много раз в жизни). У монокарпиков после цветения наступает программированная гибель всего растения, период деградации наступает очень быстро. Так, у многих бамбуков (подсем. Bambusoidea) ювенильный и виргинильный период могут тянуться в течение 100-150 лет, а генеративный период и следующая за ним смерть растения происходит в течение одного сезона.

Иногда многолетний поликарпик в тот или иной сезон оказывается угнетенным (например, в результате внезапного понижения температуры погибла значительная часть растения). Тогда растение не цветет один или несколько сезонов. Такое состояние интерпретируется как что-то похожее на "старость", его называют квазисенильным. На деле временное ослабление растения не означает, что оно не сможет снова цвести.

Одним из классических объектов для изучения перехода растения в генеративный период, является плющ (Hedera). Ювенильное состояние характеризуется лопастными или даже сильно рассеченными листовыми пластинками, тогда как генеративное состояние - цельными листьями. Длительность ювенильной стадии определяется тем временем, которое необходимо плющу для того, чтобы взобраться на опору. Пока побеги растут горизонтально, они образуют рассеченные листья, а как только меняется направление роста побега, на нем появляются цельные листья и растения цветут. Примечательно, что опора может со временем повалиться на землю, и прбеги вновь примут горизонтальное положение. Плющ снова растет под пологом леса в поисках новой опоры и образует рассеченные листья.

Исследователи склонны считать, что при горизонтальном росте происходит "реювенилизация" (повторное омолаживание), а цельные листья - признак генеративного состояния, "старения". Однако, цикл такого "старения"-"омоложения" можно повторять в условиях эксперимента до бесконечности, и гибель растения не наступит.

7.1.6. Проблема старения у растений.

Гибель растения может наступить в результате различного рода причин. Очевидно, что не все эти причины можно назвать старением.

1. Истощение ресурсов среды (можно сравнить с гибелью животного от голода).

2. Абиотический стресс (понижение/повышение температуры, засуха).

3. Поражение болезнями и вредителями.

4. Запрограмированная гибель растения.

Если растение не содержит программы собственной гибели (многолетний поликарпик), его можно считать потенциально бессмертным. Чтобы продлить жизнь такого растения достаточно предоставлять ему все новые ресурсы для роста, исключить стресс и патогенез.

Травянистые растения в естественных условиях обычно обладают малой подвижностью и не могут покинуть истощенный участок. В результате новые побеги становятся все меньше, и растение вытесняют с занятого места конкуренты. Эта ситуация аналогична истощению ресурсов в периодической суспензионной культуре. Чтобы растение начало расти с новой силой (повторило ту же кривую роста), необходимо пересадить его в новые условия.

Удивительны примеры жизнестойкости некоторых травянистых растений. Так, махровый сорт нарцисса 'Thelamonius Pleno' выращивают с XVII века. Растение не может размножаться семенами, но за счет постоянной пересадки не теряет жизнеспособности. Лилейник бурый (Hemerocallis fulva) известен в Европе со времен Римской Империи (заносное растение из Китая). Этот вид содержит три набора хромосом, и поэтому не способен завязывать семена. В течение более, чем 2000 лет он не теряет жизнеспособности, его охотно выращивают в частных садах.

Срок жизни деревьев обычно ограничен "сроком службы" главного ствола, при его гибели гибнет и все растение. В искусственных условиях срок жизни дерева можно продлить во много раз, если есть возможность размножить его черенками. Многие декоративные формы хвойных растений (можжевельников, туи, кипарисовика и др.) поддерживают не одно столетие благодаря тому, что исходную особь удалось размножить черенкованием (растение регулярно получает "новый" ствол). В приведенных примерах растение может погибнуть только от исчерпания ресурсов (прочность ствола можно рассматривать как один из видов ресурсов).

Тем не менее, есть растения, у которых важный орган нельзя заменить новым. Например, это клубень гипокотильного происхождения у цикламенов или у хохлаток из секции Cava. Со временем в клубне образуется полость, которая постепенно расширяется и растение гибнет. Можно сказать, что клубень является невосполнимым органом. Если у растения есть невосполнимый орган, оно рано или поздно погибнет. Процесс постепенной (естественной) утраты невосполнимого органа можно считать старением. (Заметим, что в природных условиях стволы деревьев являются невосполнимыми органами).

Запрограммированная гибель наступает либо в том случае, когда растение "превратило" все точки роста в цветки (ему по-просту "нечем" расти - типичная ситуация для многолетних монокарпиков), либо включаются определенные гены, ответственные за высыхание всего растения (такое типично для одно-двухлетних растений).

Таким образом, для изучения процессов старения необходимо особенно тщательно выбирать объекты иследования, поскольку большинство многолетних растений потенциально бессмертно.

7.2. Гормональная система растений.

7.2.1.1. Проблема старения у растений.

Растительная клетка как часть многоклеточного организма, должна не только выполнять свои функции, направленные на поддержание собственной целостности, но и функционировать согласованно с другими клетками. Именно поэтому между клетками должен происходить обмен информацией. Одна группа клеток при этом становится "отправителями" сигнала, а другая группа клеток воспринимает его. Если сигнал имеет химическую природу, молекулу, выполняющую сигнальную функцию, называют первичным мессенджером (от англ. "message"-"послание","сообщение").

Растительная клетка воспринимает разнообразные химические стимулы и реагирует на них. Так, изменение концентрации сахаров во флоэмном токе, олгигомерные сахара и фрагменты хитина, индолилуксусная кислота, брассиностероиды и др. вызывают физиологическую реакцию. Среди этого довольно обширного списка химических веществ можно выделить гормоны растений.

Для того, чтобы вещество отнести к гормонам, необходимо, чтобы оно обладало следующими свойствами.

1. Вещество вызывает специфический физиологический ответ у определенных клеток. Особенность растительных гормонов в том, что они запускают крупные программы развития не только на уровне клеток, но и на уровне тканей, органов, целого растения.

2. Вещество синтезируется в самом растении одной группой клеток, а отвечает на него другая (разобщено место синтеза и место действия, т.е. необходим транспорт сигнального вещества по растению). Как правило, фитогормоны являются низкомолекулярными соединениями (не более 2кДа). Возможно, это связано с необходимостью транспорта по растению. Отметим, что к синтезу фитогормонов потенциально способна любая клетка растений.

3. Вещество практически не играет роли в основном метаболизме клетки, используется только для сигнальных целей.

Кроме того, иногда эти свойства расширяют, добавляя дополнительные качества.

4. Вещество должно действовать в низкой концентрации (низкой считают концентрацию начиная с 10-5моль/л).

Все эти правила введены для того, чтобы ограничить круг веществ, которые традиционно считают растительными гормонами. Однако, проще перечислить вещества, которые в научной литературе принято называть гормонами. Основных групп классических гормонов пять.

1. Ауксины.

2. Цитокинины.

3. Гиббереллины.

4. Абсцизины.

5. Этилен.

Часто к этому списку добавляют и другие вещества: брассиностероиды, жасминовую кислоту, салициловую кислоту, некоторые фенольные соединения и др.

На самом деле всеми классическими свойствами обладают немногие гормоны (например, ауксины). Абсцизины обычно действуют в точке синтеза, распространяясь лишь на небольшое расстояние. Этилен транспортируется только в виде предшественника; фенолы, салициловая и жасминовая кислоты действуют в концентрациях, превышающих 10-5 моль/л.

Кроме гормонов, к сигнальным молекулам можно отнести олигосахарины (так называют олигосахариды с физиологической активностью), лектины (белки, способные вступать во взаимодействие с полисахаридами) и короткие пептиды. Действующая концентрация этих веществ порой очень низка - порядка 10-12═ - 10-15 моль/л.

7.2.1.2.Рецепция и усиление сигнала.

Первичные мессенджеры, воспринимаемые клеткой как сигналы, специфически взаимодействуют со многими белковыми молекулами. Так, ауксин с высокой афинностью может взаимодействовать с рецепторами, транспортными белками, ауксиноксидазой, ауксин-гликозидазой. Однако, не каждое взаимодействие с белком приводит к физиологическому ответу.

Для того, чтобы клетка ответила на стимул, необходимо включение внутриклеточной системы вторичных мессенджеров.Одной из функций вторичных мессенджеров является усиление сигнала. Например, один G-белок может активировать более 10 молекул фосфолипазы С (см. ниже). Одна молекула ауксина приводит в движение около 10 000 протонов!

Таким образом, для поиска рецепторов применяют следующие правила.

1. Рецептор должен взаимодействовать с гормоном и его аналогами. Причем чем больше физиологический ответ, вызываемый данным соединением, тем выше афинность. С неактивными аналогами рецептор связываться не должен.

2. При взаимодействии рецептор не должен менять химическую структуру гормона (таким способом исключают белки, занимающиеся метаболизмом растительных гормонов).

3. Взаимодействие гормона с рецептором должно приводить к включению системы вторичных мессенджеров.

Кроме биохимического выделения белков с помощью афинной хроматографии все больше применяют генетические методы. У мутантов с нарушенной чувствительностью к добавленным гормоном часто оказываются поврежденными гены белков-рецепторов. Далее ген выделяют из генома, клонируют и путем экспрессии в Escherichiа coli или дрожжах получают много белкового продукта. (Часто при этом дрожжи или кишечная палочка приобретают чувствительность к растительным гормонам).

Большинство систем вторичных мессенджеров, изученных у животных, в последние годы обнаружены и у растений. Каскад усиления сигнала называют по характерным участникам этого процесса. Наиболее известны фосфатидил-инозитольная, аденилат-циклазная и гуанилат-циклазная системы, MAP-киназный каскад и др.

Рецепторы обычно локализованы на мембранах (как правило на плазмалемме), но не исключена их локализация в других компартментах клетки. Рецептор бывает связан с разными вторичными мессенджерами. Так, при локализации в цитоплазме первостепенную роль играют белок-белковые взаимодействия, включающие каскад фосфорилирования/дефосфорилирования, приводящий к изменению работы цитоскелета и перестройке метаболизма. При внутриядерной локализации после получения сигнала рецептор может взаимодействовать с другими белками ядра так, чтобы включить одни и выключить другие промоторы, обеспечивая специфический ответ на уровне генома.

7.2.1.3. Фосфатидил-инозитольная система вторичных мессенджеров.

Принципы работы вторичных мессенджеров разберем на примере фосфатидил-инозитольной системы. Фосфатидилинозитол - один из липидов, который входит в состав наружной мембраны растительной клетки. Поэтому фосфатидил-инозитольная система обычно работает с рецепторами, расположенными на внешней мембране.

При связывании с гормоном белок-рецептор меняет конформацию и передает сигнал на G-белок. G-белки названы так за способность связывать и гидролизовать GTP. Конформация белкового комплекса рецептора влияет на способность связывать и удерживать GTP (Рис.7.4).

Пока молекула GTP остается связанной с реакционным центром G-белка, G-белок успевает активизировать до 10 молекул фосфолипазы С, входящей в состав мембранных белков. После этого происходит гидролиз GTP, GDP и фосфат освобождаются и G-белок переходит в неактивное состояние, пока не захватит новую молекулу GTP. Эффекты G-белков можно изучать с помощью негидролизуемного аналога GTP, где один из фосфатов заменен сульфатной группировкой. G-белок при связывании аналога остается активным гораздо дольше и эффект усиливается. Работу G-белка можно зарегистрировать в первые 1-5 секунд после обработки рецептора гормоном.

Активизация фосфолипазы С приводит к гидролизу фосфатидилинозитолдифосфата. При этом в мембране остается гидрофобный остаток диацилглицерина, а в цитоплазму поступает инозитол-1,4,5-трифосфат. Именно это событие и дало название всему каскаду вторичных мессенджеров. Уменьшение доли фосфатидилинозитолтрифосфата и поступление инозитолтрифосфата в цитоплазму наблюдается уже через 10-15 секунд после получения сигнала, достигая максимума к 60 секундам.

Инозитолтрифосфат может взаимодействовать с Са2+-каналами на мембране. Через 2 минуты после обработки гормоном в цитоплазму начинает поступать кальций. При этом наблюдаются осцилляции в поступлении кальция - так называемые "кальциевые волны". Концентрация кальция в клетке изменяется приблизительно с 1 до 100 ммоль/л.

Однако, дальнейшее повышение концентрации кальция привело бы к автолизу клетки: активизируются Са2+-зависимые фосфолипазы (например, фосфолипаза А), что приводит к разрушению мембраны. Поэтому клетка модулирует уровень кальция через концентрацию инозитолтрифосфата. Так, при превышении уровня может происходить дополнительное фосфорилирование, а инозитолтетрафосфат уже не взаимодействует с Са2+-каналами. При этом инозитолтетрафосфат используется как депо, из которого можно "изъять" новую порцию активного инозитолтрифосфата. Кроме того, после достижения максимума инозитолтрифосфат поэтапно гидролизуется до инозитола. Далее инозитол включается в состав фосфатидилинозитола, и только в составе мембраны фосфорилируется до фосфатидилинозитолдифосфата и может быть еще раз использован.

Заметим, что сам фосфатидилинозитолдифосфат является важным модулятором при взаимодействии мембран с цитоскелетом. Так, повышение его доли в составе мембран провоцирует сборку актиновых филаментов, а дефософорилирование влечет за собой разборку цитоскелета.

Инозитол в растительных клетках может полностью фосфорилироваться, превращаясь в инозитолгексафосфат (фитин). Обычно физиологи растений рассматривали это соединение как депо фосфора в семенах и запасных тканях. Однако, у дрожжей это вещество оказывается необходимым для транспорта РНК из ядра в цитоплазму. Возможно, похожие явления будут обнаружены и у растений.

Помимо фосфатидилинозитольной системы у растений обнаружены еще несколько сигнальных систем. Например, аденилат-циклазная система похожа по действию на аналогичную систему животной клетки. В липоксигеназной системе в регуляцию сигнального каскада также вовлечена фосфолипаза А, активируемая кальцием. Так, после ее активизации в мембране появляются свободные жирные кислоты. Кроме того, кальций активизирует липоксигеназу, которая включает кислород в состав полиненасыщенных жирных кислот с образованием пятичленных углеродных колец. Одним из результатов работы липоксигеназы является синтез жасминовой кислоты, которая может блокировать Са2+-каналы и предотвращать избыточное поступление кальция в клетку. Есть сведения о работе в растительной клетке NO-системы, системы фосфатидной кислоты, НАДН-оксидазной системы, перокидазной системы.

Следующими по времени событиями являются активация функциональных систем клетки. Прежде всего, активация(инактивация) генов, часто - изменение мембранного потенциала. Например, при активации фисфатидилинозитольной системы ауксином происходит выброс протонов из цитоплазмы за счет активизации Н+-помпы. Через 5-7 минут после воздействия гормона наблюдается закисление матрикса клеточной стенки. Ответ этого компартмента на закисления зависит от состава клеточной стенки (в частности, от присутствия кислых гидролаз, инвертазы, доли пектиновых веществ и т.д.). Если физиологический ответ - это растяжение клетки, то увеличение размеров клетки начинается через 10-12 минут после обработки гормоном.

При закислении клеточной стенки из пектина освобождается кальций, связанный с кислотными группировками. Таким образом, растительная клетка использует клеточную стенку как депо ионов Са2+. Как мы видим, уровень кальция в цитоплазмы зависит от содержания инозитолтрифосфата и жасминовой кислоты в цитоплазме, состояния матрикса клеточной стенки и работы Са2+-каналов и Са2+-АТФаз. Эти факторы действуют не одновременно, причем приток кальция в клетку провоцирует процессы, приводящие к снижению его концентрации и наоборот. В результате поток кальция оказывается не равномерным во времени, возникают волны поступления/удаления кальция, причем динамика волн кальция может существенно различаться для разных внешних сигналов.

До 70 % поступившего в клетку кальция связывается с цитоскелетом, активизируя его работу. Важным вторичным мессенджером в передаче сигнала являются небольшие белки-кальмодулины. Кальмодулин имеет 4 центра, связывающихся с кальцием, и его конформация различается в зависимости от числа занятых кальцием центров. От активности кальмодулинов, в частности, зависит работа Са2+-АТФаз: полностью заполненный кальцием кальмодулин активизирует выкачивание кальция из клетки.

Гидрофобный фрагмент - диацилглицерин - также является вторичным мессенджером. Он взаимодействует с протеинкиназой С, повышая ее фосфорилирующую активность. Далее запускается каскад фосфорилирования белков.

Таким образом, в качестве вторичных мессенджеров в приведенном примере выступают G-белки, фосфолипазы С и А, инозитолтрифосфат, жасминовая кислота, кальций, диацилглицерин, протеинкиназа С. Если мы добавим в клетку какой-либо из этих мессенджеров, то даже без первичного сигнала можно наблюдать физиологический ответ (обычно такой ответ бывает не полным).

7.2.1.4. Взаимодействие сигналов.

Несмотря на большое многообразие первичных сигналов, при ответе клетка часто активизирует одни и те же механизмы, которые можно назвать неспецифическим ответом. Так, при действии ауксинов, гиббереллинов, абсцизовой кислоты, красного света и даже при оказании механического давления на клетку уже через 1 минуту можно зарегистрировать гидролиз фосфатидилинозитолдифосфата со всей цепочкой последующих событий.

Кроме того, активизируются и другие системы вторичных мессенджеров.

Более того, один и тот же компонент может входить в несколько каскадов усиления сигнала. Например, многие системы вторичных мессенджеров включает кальций. Часто происходит изменение редокс-статуса клетки и увеличивается концентрация активных форм кислорода.

Протеинкиназы или транскрипционные факторы могут изменять активность в ответ на несколько воздействий и в последнее время все чаще обнаруживают, что участники одного каскада вторичных мессенджеров вовлечены и в другие реакции ответа. Тогда говорят о "перереговорах" путей передачи сигнала (signaling path cross-talk). Повреждая узловые точки в перекрестной регуляции, можно получить растения с нарушенным физиологическим ответом не на один, а на несколько стимулов. Например, мутант nph 4 (non-phototropic hypocotyl) оказывается не чувствительным не только к свету, но и к силе тяжести. По-видимому, белковый продукт гена NPH 4 необходим для регуляции ответа клеток на оба стимула.

Специфический ответ клетки предполагает, что 1) разные клетки в одном организме отвечают на стимул не одинаково; 2) одна и та же клетка отвечает на разные стимулы по-разному. Это достигается за счет того, что в ядре эксперссируется разный набор и-РНК, в клетке вырабатываются новые белки, что позволяет развить адекватную реакцию на стимул. Важно отметить, что восприятие сигнала зависит от состояния, в котором находилась клетка перед его получением.

Отметим, что клетки в многоклеточном организме могут "оценивать" свое положение, в организме растения существует позиционная информация. Это позволяет клеткам интегрироваться в целый организм и давать адекватный ответ на внешние и внутренние стимулы. Так, в субапикальной зоне растяжения клетки нуждаются в ауксинах (но не в гиббереллинах) для правильного роста, тогда как растяжение клеток в интеркалярных меристемах находится под контролем гиббереллинов (но не ауксинов). Очевидно, что для растяжения необходимо "включить" одни и те же общие механизмы. Чувствительность же клеток зависит от набора рецепторов, экспрессированных в данный момент, и наличия всех вторичных мессенджеров между получением сигнала и ответом.

К самым ярким реакциям общего ответа можно назвать запрограммированную гибель части клеток. Запрограммированная гибель характерна для элементов ксилемы, пробковой ткани. Кроме того, клетки гибнут при реакции сверхчувствительности в ответ на внедрение патогена. Все это - примеры ответа растения как целостного организма (гибель для самой клетки не выгодна, ее можно рассматривать как адекватную реакцию только на уровне целого организма).

7.2.2. Ауксины - гормоны роста побега.

7.2.2.1. История открытия ауксинов.

В 1880 году Чарльз Дарвин и его сын Френсис Дарвин поставили перед собой проблему: каким органом растения воспринимают свет. Растения, стоящие на подоконнике, поворачиваются к солнцу, побеги и листья изгибаются в сторону наибольшего освещения. Причем изгиб происходит в зоне чуть пониже верхушки. Дарвины с помошью светонепроницаемой ширмы изолировали от света субапикальную область, в которой обычно происходит изгиб (рис.7.5). При боковом освещении они обнаружили, что растения изгибаются к свету, хотя зона изгиба не доступна солнечным лучам. Незакрытой оставалась только верхушка (стеблевой апекс) проростка, и логично было ее накрыть черным колпачком. Действительно, после этого изгиба в сторону света не наблюдается, хотя зона изгиба освещена солнцем с одной стороны. Результаты Дарвинов неоспоримо говорили о том, что направление света воспринимает верхушка проростка (апекс) и передает информацию о направлении света в нижележащую зону. Дарвины предположили, что верхушка вырабатывает химическое соединение, которое транспортируется вниз и вызывает неравномерный рост. Гипотетическое вещество Дарвины назвали ауксином (от греч. ауксо - расту).

Гипотеза Дарвинов была не единственным объяснением наблюдавшихся явлений. Так, сигнал мог передаваться в виде электрических импульсов и приводить к тому же результату. Выдвинутое Дарвинами предположение нуждалось в эксперимнтальной проверке.

Через 50 лет после опытов Дарвинов, наш соотечественник Холодный и его немецкий коллега Вент независимо поставили новую серию экспериментов, чтобы изучить природу сигнала, передающего информацию из апекса побега в субапикальную зону изгиба.

Вещество, передающее сигнал из одной части растения в другую, должно быть хорошо растворимым в воде. Значит, если отрезать много побеговых апексов и поместить их в воду, то в раствор вместе с другими веществами перейдет и гипотетический ауксин. Затем нужно сделать так, чтобы с одной стороны в проростке оказалось больше "ауксина", а с другой - меньше. Для этого верхушку с собственными ауксинами нужно удалить, а на срез с какого-нибудь края нанести водный экстракт.

Однако, работать с водным раствором было трудно - экстракт растекается по срезу. Тогда опыт видоизменили. Апексы располагали на поверхности тонкого слоя агарового геля. У подопытного растения удаляли верхушку и сбоку накладывали на срез кубик агара, в котором предположительно содержался ауксин. Растения всегда изгибались в сторону, противоположную наложенному агаровому блоку. В качестве контроля использовали агаровый блок, не пропитанный экстрактом побеговых апексов. В этом случае изгиба не происходило (рис.7.6).

Холодный и Вент сделали вывод, что гипотетический ауксин действительно существует и вызывает растяжение клеток. Можно было предположить, что при одностороннем освещении ауксин перетекает на затененную сторону и вызывает изгиб к свету.

Не имея в руках выделенного препарата чистого ауксина, Вент и Холодный изучили основные свойства этот сигнального вещества. Так, если вырезать зону изгиба и накладывать агаровый кубик снизу (с базальной стороны), то изгиба не будет. Это означает, что ауксин движется по растению полярно (т.е. в строго заданном направлении) - от апекса побега к его основанию, а затем - к кончику корня. Была измерена скорость транспорта ауксинов. Для этого на участок заданной длины помещали сверху агар с ауксином, а с низу - агаровый блок без ауксина. Верхний агаровый блок служил донором ауксинов, а нижний - своеобразным коллектором. Нижний блок через равные промежутки времени заменяли новым. Всю полученную серию нижних блоков анализировали на проростках на предмет наличия ауксинов (см. Рис.).Скорость транспорта ауксинов обычно составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час.

Однако, необходимо было выделить ауксин в чистом виде. Немецкий химик Кёгль в 1939 году исследовал химический состав мочи вегетарианцев. Он отметил, что в отличие от мочи других людей, она содержит новое вещество, которое удалось выделить и расшифровать его формулу. Это была индолилуксусная кислота (ИУК). Чтобы научиться определять ее в малых количествах и изучить ее физиологические свойства, Кёгль испробовал ИУК в разных живых системах. Выяснилось, что ИУК способна усиливать рост проростков с отрезанной верхушкой, как и ауксин. Если наложить агаровый блок с ИУК асимметрично, то происходит характерный изгиб субапикальной зоны.

Лишь через 6 лет из верхушек побегов было выделено то же самое соединение - индолилуксусная кислота - и стало ясно, что она и является одним из акусинов. К настоящему времени вопос о других соединениях ауксиновой природы окончательно не решен. Известен ряд веществ, обладающих ауксиновой активностью (фенилуксусная кислота, индолилпировиноградная кислота), но их активность ниже, чем у ИУК и они менее распространены.

Кроме них химикам удалось синтезировать вещества, вызывающие такой же физиологический эффект, как и природные ауксины. Поскольку они не встречаются в растениях, их называют синтетическими аналогами ауксинов. Среди них упомянем лишь 2,4-Дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д) и a-нафтилуксусную кислоту (НУК). Синтетические аналоги эффективно связываются с рецепторами ауксина, однако слабо взаимодействуют с системой транспорта или окислительной деградации естественных ауксинов.

7.2.2.2.Биосинтез и деградация ауксинов.

Ауксины синтезируются у разных растений разными путями. Долгое время считалось, что ИУК образуется единствыенным путем из аминокислоты триптофана. Этот процесс происходит как минимум в три стадии: (1) декарбоксилирования, т.е. удаления СО2; (2) дезаминирования, т.е. удаления NH2-группы; (3) окисления, т.е. удаления электронов (рис.7.7). Некоторые растения не органичиваются этим набором реакций, а включают в метаболизм ауксинов соединения серы, и биосинтез растягивается на 6 и более стадий.

Чтобы исследовать метаболические пути, ведущие от триптофана к ИУК, генетики получили мутантов, не способных синтезировать триптофан. Однако, не у всех растений при этом меняется синтез ауксина! По-видимому, есть еще один путь синтеза ИУК, в котором триптофан не участвует. Некоторые растения способны эксплуатировать оба пути: триптофановый и "нетриптофановый" и переключают их в зависимости от обстоятельств.

После образования ауксин часто подвергается дальнейшим превращениям. Так, ИУК может связываться с сахарами, аминокислотами или даже белками, образуя не активные (запасные) формы. При необходимости ИУК можно освободить из этих соединений и восстановить ее физиологическую активность.

Интересно, что в классических опытах Дарвинов с канареечной травой синтеза ауксина в верхушке колеоптиля не происходит! ИУК образуется в период роста зародыша семени, а когда зерновки созревают, ИУК переходит в форм неактивного гликозида. При прорастании гликозиды ИУК транспортируются в апекс проростка, где происходит высвобождение активного ауксина, и уже свободная ИУК распределяется по колеоптилю канареечной травы в зависимости от освещенности.

Заметим, что колеоптиль - это временный орган семени и проростка злаков. Он нужен для пробивания почвы при прорастании. Внутри колеоптиля заключена верхушечная меристема побега, которая образует стебель и листья. Синтез собственного ауксина сосредоточен именно здесь, а не в верхушке колеоптиля.

Кроме образования неактивных конъюгатов, ИУК может разрушаться. Это происходит либо специфически (с помощью ИУК-оксидазы), либо неспецифически (полифенолоксидазой, которая кроме ИУК может работать с разнообразными фенольными соединениями). В обоих случаях потеря ауксина невосполнима. (рис.7.7).

Таким образом, по мере удаления от точки синтеза концентрация ауксинов падает за счет необратимого окисления и связывания в неактивные формы.

7.2.2.3. Транспорт ауксинов.

Гипотеза транспорта ауксинов активно разрабатывалась в 1950-е годы и с тех пор почти не изменилась. Считается, что клетка получает ауксин из внешнего пространства (апопласта), где ИУК связана с протоном. ИУК (нейтральная частица ) через специальный белок-переносчик (influx carrier) проникает в клетку по градиенту концентрации. Предполагают, что "каналом" для ИУК служит белковый продукт гена AUX 1(Рис.7.8).

В цитоплазме среда более щелочная, чем снаружи, поэтому ИУК диссоциирует (от нее отрывается протон) и становится отрицательно заряженным ионом. Заряженной частице пересечь мембрану труднее. Выходит анион ИУК из клетки активно, при этом задействованы трансмембранные переносчики ИУК, работающие с затратой энергии. "Насосы" (efflux carrier) расположены в нижней части клетки, что и обеспечивает полярный (направленный) транспорт ауксинов. Сам переносящий белок можно конкурентно ингибировать трииодбензойной кислотой. На роль белков-переносчиков ИУК претендует продукт гена PIN. При мутации полярный транспорт ауксина сильно снижается. Кроме того, с белком, выносящим ИУК из клетки, ассоциирована регуляторная субъединица. Эта субъединица может связываться с нафтилфталаминовой кислотой, при этом транспорт ауксина также блокируется.

Насосы, работающие с ИУК, по-видимому, связаны с цитоскелетом и при изменении внешних факторов (например, освещения) могут быстро передвигаться в нужную сторону (на теневую). Концентрация ауксина по разные стороны стебля меняется очень быстро: уже через 10-15 минут можно регистрировать ответ клеток на неравномерное распределение ауксина.

Нарушить полярный транспорт ауксинов достаточно легко, применив вещества, ингибирующие сборку актиновых филаментов (например, цитохолазин D).

Интересно, что из синтетических аналогов ауксинов некоторые могут участвовать в транспорте (например, показано, что НУК взаимодействует с переносчиками ИУК), а другие - не могут (2.4-Д проникает в клетки путем диффузии). Процесс транспорта ауксинов можно блокировать трииодбензойной кислотой (ТИБК), нафтилфталаминовой кислотой (НФК) и некоторыми другими соединениями. Эти вещества связываются с переносчиками ИУК и мешают выносу ауксинов из клетки. Получены мутанты, не чувствительные к ТИБК, у которых, возможно, изменены белки-переносчики ИУК. Кроме того, у мутантов pin (арабидопсис) нарушен полярный транспорт ауксинов, что приводит к изменениям в морфологии растений, связанным с нарушением пространственного распределения ауксина.

Следует отметить, что транспорт ауксинов в зоне вторичного утолщения у древесных растений не достаточно исследован. Скорее всего, в этих случаях транспорт ауксина идет по симпласту (по флоэме).

7.2.2.4. Физиологические эффекты ауксинов.

Основным белком, претендующим на роль рецептора ауксина, является белок ABP 1 (auxin binding protein). Этот белок в больших количествах обнаруживается в эндоплазматическом ретикулуме, откуда путем встаивания мембран ЭПР попадает в плазмалему. Присутствие АВР 1 в плазмалемме показано с помощью специфических антител. Более того, обработка протопластов этими антителами блокирует ответы на ауксин (антитела экранируют сайт связывания ауксина и не дают гормону связаться с АВР 1).

Воздействие на клетку ауксинами в большинстве случаев приводит к одинаковому эффекту. После связывания с рецепторами (АВР 1) и включения системы вторичных мессенджеров, происходит включение протонной помпы. Через 60-120 секунд после воздействия можно зарегистрировать токи, связанные с перемещением Ca2+ через мембрану, а через 5-7 минут заметен эффект закисления апопласта (протоны выходят из клетки наружу). После такой первичной реакции на гормон пути дальнейшего ответа у клеток расходятся и зависят от положения клетки в целом растении.

Ауксины - гормоны, вырабатываемые в апикальных меристемах побегов. Для растения вцелом ауксиновый сигнал означает, что побег интенсивно растет и необходимо обеспечивать его потребности, и каждая клетка растения в зависимости от своего положения выполняет эту задачу.

Образно ауксин можно назвать "гормоном благополучия апекса побега".(рис.7.9).

(1). Самый первый эффект ауксинов - аттрагирующий (от латинского "attractio" - "привлечение"). Клетки меристемы "привлекают" к себе питательные вещества. Аттрагирующий механизм ауксинов не установлен, но наиболее вероятным представляется следующий сценарий событий. Способность клетки к поглощению многих веществ зависит от электрохимического потенциала на мембране. Так, сахароза проникает в клетку через мембрану вместе с Н+-ионом, и чем выше концентрация протонов снаружи от клетки (и чем ниже она внутри), тем больше сахарозы клетка может захватить. Активизация работы Н+-помпы идет на усиление трансмембранного тртанспорта веществ. Таким образом, клетки, нуждающиеся в питательных веществах, создают более сильный перепад концентраций протонов на мембране, увеличивающий их поглотительную способность. Кроме сахарозы, клетки апикальной меристемы аттрагируют аминокислоты, нуклеотиды, неорганические ионы, воду и другие вещества. Аттрагирующий эффект проявляется в зоне активных делений клеток.

Совместно с цитокининами ауксины вызывают деления клеток, которые также происходят в определенных клетках апекса побега.

(2) В лежащей ниже зоне ауксин вызывает растяжение клеток. Механизм растяжения также активизируется через Н+-помпу.

Клеточная стенка - очень прочное экстрацеллюлярное образование. В общих словах при растяжении происходит снижение прочности клеточной стенки, силы тургорного и осмотического давления приходят в дисбаланс. Протопласт, не сдерживаемый клеточной стенкой, полглощает воду, образует крупные вакуоли и за счет этого объем протопласта увеличивается, а клеточная стенка растягивается. Активный перенос ионов Н+ из цитоплазмы в матрикс клеточной стенки приводит к так называемому "кислому росту" и растяжению клетки (см. главу 1 ...)

С растяжением клеток в субапикальном районе связаны более сложные явления - тропизмы. Главная задача растягивающихся клеток - правильно ориентировать растущую верхушку побега в пространстве. При боковом освещении ауксины перераспределяются на теневую сторону, вызывая неравномерное растяжение и наклон в сторону света. Это явление называют фототропизмом (или, что то же самое, гелиотропизмом). Если побег изменил положение в пространстве (наклонился, повален ветром и т.д.), то ауксины перераспределяются на физически нижнюю сторону. Субапикальная зона изгиба стремится вновь направить рост по вертикали. Это явление получило название гравитропизма (или геотропизма). Обычно для побегов характерен отрицательный геотропизм - побег растет по направлению от центра Земли. Корни обладают положительным геотропизмом (к центру Земли).

Кроме того, иногда наблюдается диагеотропный (плагиотропный) рост - перпендикулярно силе тяжести. В качестве примера можно привести рост боковых ветвей ели, подземных корневищ многих растений.

У некоторых растений имеется тигмотропизм (ростовое движение в сторону прикосновения). Это особенно важно для вьющихся лиан, которым необходима опора для роста (вьюнок, фасоль, ипомея, горец вьюнковый, повилика и др.).

(3) Ниже зоны растяжения начинается дифференцировка. Клетки проводящей системы и механических тканей приобретают жесткие клеточные стенки, за счет лигнификации.

После лигнификации клетки теряют способность к растяжению. Более того, если окружающие клетки начнут растягиваться, это может привести к разрыву проводящих сосудов, восстановить которые невозможно. Все это объясняет, почему после полной дифференцировки сосудов изменение направления роста невозможно.

Ауксин важен для регуляции процессов, происходящих в зоне дифференцировки. Его потоками определяется положение будущих пучков проводящей ткани. Под действием ауксина формируются проводящие пучки (преимущественно ксилема), посокльку стеблю необходим приток питательных веществ от корня. На этот процесс помимо ауксина влияет концентрация сахарозы. В опытах с каллусной кльтурой in vitro при низких концентрациях сахарозы (менее 2%) на фоне ауксина формируется ксилема, привысоких - флоэма.

Ауксин влияет на расположение листьев на растении. Каждый молодой лист пока он растет служит источником ауксинов. В апикальной меристеме побегов возникают зоны, которые станут примордиями листьев. В них более активен синтез ауксина. Для окружающих клеток это значит, что место занято, закладывать новый лист рядом уже нельзя. Если нарушить транспорт ауксина из примордия листа в окружающие клетки (например, сделать надрез), то следующий лист закладывается у края надреза. Мутанты с нарушением транспорта ауксина (pin - см. выше), образуют листья в беспорядке, часто несколько соседних примордиев сливаются воедино, образуя уродливые органы. Нарушаются все ярусы листьев, начиная от семядольных (число которых может доходить до 6 при норме 2) заканчивая органами цветка. Аналогичный эффект можно вызвать добавляя ингибиторы транспорта ауксинов (ТИБК, НФК и др).

Как и меристема побега, меристема листа "привлекает" к себе питательные вещества, обеспечивает себя правильной сетью жилок. Направление закладки сосудистых элементов в листьях также находится под контролем ауксинов, и рассогласуется при нарушениях транспорта ауксина.

Сходство в регуляции процессов растущим побегом и растущим листом, по-видимому, не случайно. Существует гипотеза об эволюционном происхождении листа из бокового побега, который утратил неограниченный рост и стал плоским для выполнения функции фотоситнтеза.

(4) В пазухах листьев создаются благоприятные условия для закладки и

развития боковых побегов (почек).Однако, у большинства растений боковые побеги не развиваются пока главный побег активно растет. Подавление роста боковых почек в пользу апикальной меристемы получило название апикального доминирования. Роль ауксинов в апикальном доминировании можно показать экспериментально (Рис.7.10).

Если удалить верхушку побега, рост боковых побегов активизируется. Однако, достаточно наложить на срез агаровый блок с ауксином, боковые почки так и не пробудятся. Растение воспринимает агар с ауксином так же, как активно растущую верхушку побега, и считает новые побеги излишними. Дефицит ауксина , напротив, говорит растению о повреждении верхушки и необходимости ее чем-то заменить. При недостатке ауксинов в растении апикальное доминирование снимается и боковые почки должны пойти в рост.

Случаи утраты верхушки побега в природе довольно часты. Это может быть как абиотическое повреждение (верхушку обломило ураганом, в нее попала молния или она погибла от заморозков), болезнь или нападение вредителей (насекомых, травоядных или человека). При утрате верхушки растение регенерирует побеговую систему за счет снятия апикального доминирования.

Более интересны случаи снятия апикального доминирования по "внутренним мотивам". Очень важным при этом является ориентация главного побега в пространстве. Различают два основных направления роста - вертикальное (или ортотропное) и в горизонтальной плоскости (или плагиотропное). Если главный побег ортотропный, он не дает образовывать новые вертикальные побеги. Это можно наболюдать на кофе, араукарии (или за их отсутствием - на ели) - у них единственный вертикальный ствол, который не мешает развивать многочисленные горизонтальные ветки. Стоит у этих растений отрезать ортотропный побег, как из пазух листьев вырастут замещающие вертикальные побеги.

Главный побег может быть и горизонтальным (плагиотропным), тода он доминирует над новыми плагиотропными побегами, но не мешает росту боковых вертикальных.

Чтобы снять апикальное доминирование не обязательно удалять верхушку, достаточно изменить ее направление роста. Этим приемом часто пользуются садоводы в интенсивном плодоводстве. Если главный вертикальный побег яблони согнуть и подвязать к опоре в горизонтальном направлении, то довольно быстро на нем проснется боковая почка, которая продолжит вертикальный рост. Это же явление наблюдается у роз и шиповника, когда главный побег склоняется к земле под собственной тяжестью и, естественно, изменяет направление роста. Считается, что в зоне перегиба создается механическое напряжение, что приводит к усиленному синтезу этилена, замедлению транспорта ауксинов и к более интенсивному их окислению (см. также стр...- ЭТИЛЕН).

С апикальным доминированием в горизонтальной плоскости можно привести аналогичные примеры. Так, у растений, образующих горизонтальное подземное корневище, часто наблюдаются две фазы роста. Первая - летняя - рост в горизонтальном направлении. Верхушка плагиотропного побега не дает расти боковым горизонтальным корневищам. На следующей стадии - зимой - происходит "разворот" и почка на верхушке побега ориентируется вертикально. Весной из нее начнет развиваться вертикальный побег. Этот "разворот" позволяет снять апикальное доминирование с боковых почек на корневище и начинают расти новые боковые горизонтальне звенья, которые питаются за счет вертикального надземного побега. В силу экстремальных обстоятельств "разворот" апикальной меристемы может случиться и раньше. Например, в случае утраты растением надземной части, когда корневищу приходится образовывать новые надземные побеги с листьями и цветками.

Описанная форма роста характерна для зверобоя продырявленного, тысячелистника, некоторых кислиц, вербейника обыкновенного, купены, отчасти - картофеля и топинамбура.

Цветение - еще один фактор, снимающий апикальное доминирование. Если побег образует верхушечный цветок или соцветие, то ниже начинают расти боковые побеги.

(5) В зоне вторичного утолщения у большинства деревьев умеренных широт возникает кольцо активно делящихся клеток - камбий. Для работы камбия также необходим ауксин, который поступает в камбий через флоэму. Чем интенсивнее растет побег, тем сильнее утолщается нижележащая ось и наоборот. Как мы отмечали, для делений клеток необходимы одновременно ауксины и цитокинины, причем ауксин обеспечивает закладку преимущественно ксилемы.

(6) Ауксин влияет и на корневую систему. Поскольку большое количество ауксинов является сигналом о росте побегов, для обеспечения их роста растение должно образовать побольше корней. Обработка ауксинами вызывает закладку придаточных корней на стебле и боковых корней на главном корне (ризогенез).

Этим эффектом часто пользуются в сельском хозяйстве, обрабатывая трудноукореняемые черенки растворами ауксинов.

7.2.2.5. Ауксины и неоднородность внешней среды.

Суммируя эффекты ауксинов, нельзя не отметить адекватность ответов растений на внешние стимулы, которая достигается за счет прераспределения единственной группы гормонов - ауксинов.

Итак, по теории тропизмов Холодного-Вента, концентрация ауксинов повышается на теневой (при фототропизме) или на нижней (при отрицательном геотропизме) стороне побега (рис.7.11). Заметим, что нижняя сторона часто оказывается одновременно и теневой.

Апекс побега воспринимает внешние стимулы и активно перераспределяет ауксины. В субапикальной зоне происходит более интенсивный рост нижних (теневых) клеток, что приводит к тропизму (т. е. наилучшей ориентации верхушки побега в пространстве). В зоне ветвления стекающий по теневой стороне ауксин не дает развиваться боковым почкам, а на более освещенной части стебля боковые почки раньше "просыпаются". В итоге крона одиноко стоящего дерева направлена ветками в южную сторону, а в лесу крона занимает самое лучшее положение, занимая своими побегами малейшее хорошо освещенное пространство.

Если побег упал на землю, стекающий вниз ауксин не дает там развиваться боковым почкам - они начинают рост на верхней стороне поваленного ствола. На нижней стороне могут образоваться придаточные корни, которые сразу же окажутся в контакте с почвой, что позволяет поваленному стеблю укорениться.

7.2.2.6. Ауксин и плоды.

Стимуляция развития бессемянных плодов - один из известных физиологических эффектов ауксинов. В норме плоды с многочисленными семенами лучше обеспечены питательными веществами, чем те, в которых семян нет.

Аттрагирующий эффект ауксинов приводит к тому, что чем больше семян образовалось в плоде (т.е чем больше точек синтеза ауксинов), тем лучше плод обеспечивается питательными веществами. Обрабатывая бессемянные плоды раствором ауксина, экспериментатор создает у растения "иллюзию", что семена в них есть, туда направляются питательные вещества и это стимулирует развитие плодов.

7.2.2.7. Ауксин как гербицид.

7.2.2.7. Ауксин как гербицид.

Если ауксинов слишком много, то начинается синтез гормона-антагониста - этилена. Этилен он угнетает рост побегов в длину, способствует опадению листьев, ингибирует рост главного корня. Если обрабатывать растение естественнами ауксинами (ИУК, ИПВК и др.), то оно быстро начнет перерабатывать их, окисляя или "отправляя в запас" избыток ауксинов. У растений, как правило, нет систем инактивации синтетических аналогов ауксинов (НУК, и особенно - 2.4-Д).(Рис.7.12). При обработке растений этими соединениями происходит синтез антагонистов (прежде всего этилена) со всеми вытекающими последствиями: угнетением роста, пожелтением и сбрасыванием листьев и т.д. Особенно неустойчивы к воздействию 2.4-Д двудольные растения, у которых быстро отмирают кончики корней.

Это свойство позволило использовать синтетический ауксин - 2.4-Д - в качестве гербицида, селективно убивающего двудольные. 2.4-Д нашла применение везде, где основная возделываемая культура - однодольное растение.На плантации пшеницы, ржи или кукурузы 2.4-Д используют ограниченно (это вещество является "по совместительству" не только синтетическим ауксином, но и канцерогеном, мутагеном и ядом). Широко применяют 2.4-Д для химической прополки газонов. Газон состоит исключительно из однодольных (злаков), которым 2.4-Д не приченяет вреда. Одуванчики, маргаритки и другие сорняки газонов гибнут от этого синтетического ауксина. Можно приментять 2.4-Д при посадке декоративных луковичных растений, но при этом сначала выясняют, какие концентрации гербицида они переносят безболезненно.

О гербицидных свойствах ауксинов играют роль при укоренении черенков. При превышении рекомендованной концентрации препарата или времени обработки, растения синтезируют этилен, что неблагоприятно скажется на состоянии черенков.

7.2.2.8. Гравитропизм.

Лучше всего гравитропизм изучен на корнях (как на модельной системе). Микроскописты давно заметили, что во многих клетках растения есть крупные крахмальные зерна (амилопласты). Под действием силы тяжести они опускаются на нижнюю сторону клетки. О животных уже хорошо было известно, что сила тяжести воспринимается в вестибулярном аппарате внутреннего уха: мелкие камешки (статолиты) давят на те или иные нервные окончания и человек воспринимает, где находится центр Земли даже в полной темноте. По аналогии для растений была выдвинута гипотеза, что крахмальные зерна отвечают за восприятие силы тяжести, а сами крахмальные зерна назвали статолитами.

Если поместить растения в центрифугу, растение воспринимает силу тяжести, что коррелирует с оседанием статолитов на нижнюю сторону клетки. Однако, корреляция не дает права утверждать, что статолиты действительно играют роль в восприятии силы тяжести.

При хирургическом удалении ткани с крахмалом (например, при удалении корневого чехлика) гравитропизм корня нарушается. Однако, чехлик важен для многих ростовых процессов в корне, и нарушение тропизма может быть вызвано с травмой, а не удалением клеток с крахмалом.

Более корректный эксперимент поставили в середине 1970-х годов. У мутантных растений с нарушенным синтезом крахмала скорость изгибания корня в ответ на гравистимуляцию, составила около 70% от ответа нормальных растений.

Таким образом, можно утверждать, что крахмал отвечает не более, чем за 30% чувствительности к силе тяжести. По современным данным значительную роль в восприятии силы тяжести играет распределение органелл в клетке и состояние цитоскелета.

После восприятия первичного стимула (изменение положения растения относительно вектора силы тяжести) происходит перераспределение потоков ауксина. Практически все полученные мутантные растения с нарушенным гравитропизмом обладают сниженной чувствительностью к ауксиновому сигналу. Возможно, что у мутантов воспиятие силы тяжести и перераспределение ауксинов происходят нормально, но клетки не способные к рецепции ауксина, не в состоянии на это ответить.

Еще одним бесспорным фактом является участие кальция в гравитропизме, поскольку Са2+ служит одним из посредников ответа на ауксин. Хелатирование ионов Са2+ в апопласте с помощью ЭДТА нарушает гравитропический ответ.

Кроме кальция в ответе на гравистимуляцию задействованы направленные потоки катионов, которые идут через корневой чехлик. Если заменить корневой чехлик на агаровый блок, пропитанный раствором солей калия, происходит изгиб в зоне растяжения.

7.2.3. Цитокинины - гормоны корневого апекса.

7.2.3.1. История открытия.

Первые стерильные культуры клеток животных удалось получить еще в начале ХХ века, однако вплоть до 1950-х годов получить устойчиво растущие культуры растительных клеток на искусственных питательных средах не удавалось.

Американец Ф.Скуг работал над проблемой получения стерильных культур клеток растений. Он работал в университете штата Висконсин поэтому его излюбленным объектом был один из сортов табака, который выращивали в этом штате - "Wisconsin-38". Из стеблей добывали сердцевинную паренхиму, помещали на искусственные среды, содержащие минеральные вещества, сахар, витамины, аминокислоты. Однако, клетки не делились. После открытия ауксина Скуг добавил ИУК в среды: вдруг растительным клеткам не хватает ауксина? Клетки паренхимы приступали к делениям, но рост быстро останавливался.

В лаборатории Скуга перепробовали самые различные добавки: экстракт дрожжей, томатный сок, сок листьев самого табака, и все безрезультатно. Небольшого успеха удалось добиться, добавив в среду кокосовое молоко.

В 1950-х годах ученые обнаружили, что наследственная информация передается от родителей к потомкам с помощью ДНК. (Как устроено это вещество и какие свойства позволяют передать информацию тогда еще не было известно). И Скуг предположил, что растительным клеткам не хватает ДНК. В лаборатории появилась банка с ДНК, добытой из молок сельди (самый дешевый источник ДНК) и ее добавляли в среду наряду с ауксинами и питательными веществами. Клетки не делились.

Открытие цитокининов состоялось благодаря ошибке, допущенной в ходе эксперимента. Чтобы среда была стерильной, флаконы со средой помещали в автоклав, где раствор нагревается выше 100╟С. Случайно режим автоклавирования был нарушен и среда вместе с ДНК перегрелась. Именно на этой среде сердцевинная паренхима табака сорта "Wisconsin-38" начала интенсивно расти. При более детальной проверке выяснилось, что в перегретом препарате ДНК из молок сельди появлялось некоторое вещество, которое на фоне ауксина вызывает активные деления клеток. В 1953 году вышла первая статья, посвященная этому явлению, а затем удалось идентифицировать вещество, вызывающее рост клеток - фурфуриладенин (Рис.7.13). По физиологическому эффекту это вещество получило тривиальное название кинетин (от греч. "Кинезис" - "деление").

Вскоре из эндосперма кукурузы удалось выделить природное вещество, которое заставляет делиться клетки в организме растения - зеатин (Zea- кукуруза). Так было положено начало открытию новой группы растительных гормонов - цитокининов.

Выяснилось также, что природные цитокинины легко разрушаются при нагревании, что объясняет первые неудачи Скуга. В растительных экстрактах содержались природные цитокинины, но поскольку среды обязательно автоклавировали, эти гормоны разрушались и не оказывали действия на клетки.

7.2.3.2. Биосинтез и инактивация цитокининов.

7.2.3.2. Биосинтез и инактивация цитокининов.

В клетке цитокинины образуются из азотистого основания аденина. К аденину присоединяется боковая изопентильная группа, что приводит к образованию цитокининового скелета. Далее происходит последовательное удаление фосфатной группы и рибозы. Самый простой из цитокининов - изопентениладенин. Изопентениладенин проявляет большую физиологическую активность, чем изопентениладенинрибозид или изопентенил-АМФ. Другие цитокинины образуются за счет модификации изопентильного фрагмента (гидроксилирование, окисление, восстановление).

Цитокинины в клетке присутствуют в активной и неактивной форме. Неактивными формами цитокининов обычно являются N7- и N9-гликозиды, а также гликозиды по гидроксилу изопентильного фрагмента (рис.7.14). Присоединяя или отсоединяя сахара, клетка регулирует концентрацию активных цитокининов. Возможно и необратимое разрушение цитокининов, поэтому по мере удаления от апекса корня концентрация цитокининов падает.

Из арабидопсис и кукурузы выделены гены, 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, который связывается с молекулой цитокинина. Далее в белке расположен гистидин-киназный 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 новой ДНК в клетке и контролируют S-фазу клеточного цикла у растительных клеток. Интересно, что аденин с заместителями, похожими на радикал цитокининов, входят в состав некоторых РНК. Более того, если брать синтетические аналоги цитокининов (например, бензиламинопурин), то необычный радикал (бензил) появляется в тех же самых РНК у того же самого аденина. Эксперименты с мечеными атомами показывают, что цитокинин непосредственно не встраивается в молекулу РНК целиком. Происходит лишь "переброска" радикала с молекулы цитокинина на молекулу РНК.

7.2.3.3. Эффекты цитокининов от апекса корня до апекса побега.

Цитокинины оказались во многом похожими на первую из известных групп растительных гормонов - на ауксины, однако были и существенные отличия. Главное - у цитокининов совершенно иная точка синтеза. Если ауксины синтезируются в апексе побега, то цитокинины - биохимический "маркер" кончика корня. Ауксин транспортируется по растению сверху вниз и активно, а цитокинин - снизу вверх и пассивно.

Образно цитокинины можно назвать " гормонами благополучия апекса корня".(рис.7.15).

(1) Аттрагирующий эффект. Кончик корня для своего роста нуждается в питательных веществах. Минеральных солей и воды у корня в достатке, поэтому необходимо "притягивать" продукты фотосинтеза: сахара, аминокислоты и др. Этот эффект проявляется в зоне деления (т.е. в апикальной меристеме) корня.

Иногда цитокинины называют гормонами "омоложения" растительных тканей. Если обработать цитокинином лист, готовящийся к листопаду, он еще долго будет оставаться зеленым. Этот эффект был настолько впечатляющим, что физиологи растений считали "омоложение" - главным эффектом цитокининов. Однако при более внимательном рассмотрении окажется, что это - всего лишь аттрагирующий эффект. В норме перед листопадом все белковые молекулы листа разрушаются и в виде аминокислот отправляются на зимнее хранение в корень. К моменту листопада в тканях листа почти не остается азота, который был бы доступен метаболизму. Оттекают из осеннего листа и другие органические вещества, следовательно, мы имеем дело не столько со старением, сколько с запрограммированной гибелью листа от истощения (заметим, что вечнозеленые листья тропических растений обычно остаются живыми в 3-5 раз дольше, чем листья растений умеренных широт) . Зимой большая листовая поверхность опасна, поэтому происходит листопад, а питательные вещества депонируются в корне.

Если ввести в лист радиоактивный глицин и обработать одну из частей листа цитокинином, метка быстро соберется в обработанной половине листа. Нормальная физиологическая реакция состоит в том, чтобы передать питательные вещества ближе к корню (т.е. источнику цитокининов). Так как в эксперименте источником цитокининов оказалась соседняя половина листа, метка переместилась именно туда.

Таким образом, цитокинин не омолаживает лист, а просто не дает ему погибнуть от истощения, притягивая и удерживая в тканях питательные вещества.

(2) Цитокинин и дифференцировка клеток. В зоне дифференцировки корня цитокинины способствуют образованию проводящей системы. Поскольку корень нуждается в продуктах фотосинтеза, которые по растению разносит флоэма, цитокинины (гормоны корневого благополучия) вызывают образование преимущественно элементов флоэмы.

Цитокинин рассматривается тканями как запрос на фотоассимиляты. Если ткань в принципе способна образовать хлоропласты, то даже в темноте под действием цитокинина можно добиться синтеза хлорофилла. Так, в семялодях тыквы происходит дифференцировка фотосинтезирующих тканей, в клетках пластиды превращаются в хлоропласты.

Распространяется цитокинин вверх с ксилемным током. Поскольку ксилема - мертвая ткань, она не может обеспечить ни активного транспорта, ни полярности: для этого нужны живые мембраны. В отличие от ауксинов, цитокинины транспортируются пассивно и неполярно.

О том, что цитокинины содержатся в ксилеме, догадывался еще Скуг. Если сердцевинную паренхиму стебля не отделять от слоя ксилемы, то некоторое время клетки паренхимы могли делиться (это наблюдение было сделано еще до открытия цитокининов).

В зоне вторичного утолщения цитокинины стимулируют работу камбия и образование новых флоэмных элементов.

(3) Повышенная концентрация цитокининов говорит растению о благополучном развитии корневой системы. Это означает, что нет необходимости в новых корнях. Т.е. цитокинины подавляют рост боковых корней.

(4) С другой стороны, нужны побеги, которые образуют новые листья и позволят лучше снабжать растущие корни. Под действием цитокининов начинают расти боковые почки на побегах. Таким образом, цитокинины снимают апикальное доминирование, вызванное ауксинами.

Заметим, что ауксины и цитокинины - антагонисты в процессе регуляции развития боковых почек. Однако, в другом процессе - клеточных делений - они синергисты (т.е. их совместное действие усиливаеся).

(5) Традиционно упоминается реакция устьичных клеток на цитокинин: если вода поступает в лист из корня (т.е. обогащена цитокининами), устьица открываются. Если вода поступает из других органов, она бедна цитокининами (богата абсцизовой кислотой) и происходит закрывание устьиц (см. Стр...).

(6) Цитокинины способствуют росту бессемянных плодов. Ситуация очень напоминает соответствующий эффект ауксина. В молодом зародыше очень рано появляется корневой полюс, который начинает синтезировать цитокинины. Плод с семенами, естественно, содержит больше цитокининов, чем бессемянный. При добавлении цитокининов извне, растение считает, что в бессемянном плоде зародыши есть и проявляется аттрагирующий эффект.

7.2.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АУКСИНОВ И ЦИТОКИНИНОВ.

7.2.4.1. Физиологическое действие ауксинов и цитокининов в культуре in vitro.

Открытие цитокининов положило начало эре культивирования растительных клеток in vitro. Первым типом ткани, полученным из сердцевинной паренхимы табака, был каллус. В природе каллусы образуются в местах повреждения, когда растению необходимо как можно быстрее зарастить клетками шрам, заполняя его бесформенной недифференцированной массой клеток. Лишь позднее происходит дифференцировка и восстанавливаются поврежденные сосуды, покровные и механические ткани.

Клетки каллуса, в отличие от клеток апикальных меристем или камбия, делятся, располагая веретено деления в случайном направлении. В результате получается рыхлая быстро растущая клеточная масса.

Для того, чтобы клетки быстро размножались in vitro в среду нужно добавить и ауксины, и цитокинины. Только в этом случае растительные клетки начинают делиться. Показано, что ауксины активируют СDK-протеинкиназы клеточного цикла (cycline dependent kinases), а цитокинины - соответствующие циклины. Комплекс СDK-циклин необходим для запуска клеточного деления.

Изменение соотношения ауксин/цитокинин в среде приводит к существенным изменениям в развитии клеток in vitro. При преобладании ауксинов (недостатке цитокининов) начинается процесс ризогенеза (от греч. "rhizo-" - "корень"; "genesis" - "рождение"). При преобладании цитокининов (недостатке ауксинов) образуются меристемы побегов: начинается геммагенез ("gemma" - "почка растения"). (рис.7.16). Такое поведение культур клеток хорошо согласуется с функцией ауксинов и цитокининов как "гормонов благополучия" побегов и корней соответственно. Недостаток ауксинов воспринимается клетками как недостаточное развити побегов, и служит сигналом для их образования. В дифференцированных побегах происходит синтез ауксинов и баланс гормонов восстанавливается. Аналогичный механизм срабатывает при недостатке цитокининов (формируются корни).

При удалении из среды и ауксинов, и цитокининов часто в культуре клеток начинается образование биполярных структур - зародышей. У каждого из них будет свой источник цитокининов (корневой полюс) и свой источник аусинов (побеговый полюс). Такие структуры, похожие на зародыши семян, называют эмбриоидами ("embryo" - "зародыш"; "eidos" - "похожий").

Такое поведение клеток in vitro используют для создания технологий учкоренного размножения растений.

7.2.4.2. Баланс между ауксинами и цитокининами в интактном растении.

Итак, для нормальной жизни в растении всегда должен существовать баланс между ауксинами и цитокининами.

Процесс вегетативного роста растений можно моделировать, рассматривая только полярный транспорт и взаимодействие ауксинов и цитокининов. Представим, что главный стебель отделен от корня. В верхней части осталась точка синтеза ауксинов, цитокинины в дефиците. Ауксин из апекса транспортируется к основанию черенка, где создается избыток этого гормона. Чтобы сохранить гормональный баланс, нужны цитокинины: в основании закладываются придаточные корни.

У оставшейся нижней части растения есть точки синтеза цитокининов, а ауксинов не хватает. Цитокинины транспортируются наверх и накапливаются около среза. Это также вызывает нарушение гормонального баланса, что приводит к активации синтеза ауксинов. Пробуждаются спящие почки или даже возникают новые из каллусной массы.

В интактном растений активные деления клеток сосредоточены на кончике корня и на кончике побега. Согласно модели, чем дальше находится орган от кончика корня, тем меньше в нем цитокинина. Апексом побега транспорт заканчивается и происходит накопление цитокинина. Ауксин сам синтезируется в апексе побега. Таким обрзом в меристеме побега концентрация цитокининов и ауксинов оказывается достаточной для поддержания клеточных делений.

Обратная ситуация наблюдается в апексе корней: ауксин накапливается т.к. апекс корня является конечным пунктом транспорта. Вместе с синтезируемыми в кончике корня цитокининами, ауксины вызывают клеточные деления в меристеме корня.

Чем больше расстояние от кончика корня до верхушки побега преодолевают гормоны, тем меньше их содержание в меристеме. Наконец, наступает момент, когда цитокинины перестают поступать в апекс побега в нужной для делений концентрации. Рост стебля вверх останавливается. Аналогично регулируется рост корня вглубь. Таким образом, полярный рост растения можно моделировать на основании баланса ауксинов и цитокининов.

В зоне вторичного утолщения делящиеся клетки расположены не случайно. По флоэме вниз перемещается ауксин, а по ксилеме вверх - цитокинин. Между этими ткаными лежит камбиальное кольцо (слой делящихся клеток). Здесь клетки находятся на "перекрестке" потоков ауксинов и цитокининов (а также фотоассимилятов и минеральных веществ), необходимых для деления клеток.

Работу камбия также можно смоделировать исходя из теории поддержания баланса фитогормонов. Если ауксин преобладает, камбий откладывает больше ксилемных элементов (чтобы обеспечить приток цитокининов из корней). Наоборот, преобладание цитокининов заставляет камбий откладывать больше флоэмы. По ней поступят новые порции ауксина и снова возникнет равновесие между двумя типами гормонов.

Заметим, что поврежденные корни или ветки гораздо хуже утолщаются. Причина этого - в низкой способности этих органов к синтезу гормонов. С другой стороны, чем больший поток гормонов проходит через ветку или корень, тем сильнее утолщение, больше "транспортных магистралей" и больше механическая прочность.

7.2.4.3. Цитокинины и паразиты растений.

Грибы и бактерии за миллионы лет совместного существования с растениями гораздо лучше усвоили физиологию растений, чем человек. И у этих организмов возникли блестящие приспособления для "эксплуатации" организма растений как источника пищи. Ведь достаточно "засесть" в любом органе растения и начать подавать запросы на питательные вещества. Растение "не сообразит" и направит продукты фотосинтеза вместе с минеральными веществами к месту инфекции, чего и надо бактериям и грибам-паразитам.

Многие из грибов, вызывающих заболевания растений, научились вырабатывать цитокинины. В местах поражения возникает опухоль, из которой во все стороны растут многочисленные тонкие побеги. В народе такую структуру прозвали "ведьминой метлой".

Аналогичные механизмы используют и бактерии. Псевдомонады (Pseudomonas savastanoi) способны синтезировать не только цитокинин, но и ауксин. Они поражают сирень, бирючину, оливу и другие маслинные растения. Пораженная псевдомонадами ткань начинает интенсивно делиться, образуя каллус, и питательные вещества со своего растения "притягиваются" к месту инфекции. А это и нужно псевдомонадам. Но если псевдомонад убить антибиотиком, то рост опухоли останавливается.

Самый тонкий и специализированный механизм нарушения гормонального баланса имеют агробактерии (Agrobacterium tumefaciens). Клетки этих бактерий умеют передавать свою ДНК в ядра растительных клеток. В передаваемом фрагмента ДНК содержится информация о биосинтезе ауксинов, цитокининов и особых веществ - опинов. Опины не могут утилизироваться клетками растения, но служат источником углерода и азота для роста бактерий. Клетки растений, в которые попала такая ДНК, начинают опухолевый рост. Даже при уничтожении бактерий (обработка антибиотиками), опухоль продолжает расти, т.к. клетки продолжают производить ауксины и цитокинины за счет встроенных бактериальных генов

7.2.5. ГИББЕРЕЛЛИНЫ - ГОРМОНЫ ЛИСТА

7.2.5.1. История открытия.

В Японии распространено заболевание риса, которое местные жители называют "баканоэ"-"бешеный рис", "дурные проростки". Рассада пораженных болезнью растений опережает в росте здоровый рис, но колосья вырастают уродливыми и зерна не бывает. В 1926 году японский ботаник Куросава выделил и описал возбудителя болезни - гриб Gibberella fujikuroi (сейчас этот гриб перенесли в род Fusarium). Вскоре выяснилось, что многие симптомы "бешеного риса" можно вызвать культуральной жидкостью, в которой рос гриб. Это значит, что гриб выделяет некоторое растворимое в воде вещество, усиливающее рост риса. По родовому названию гриба вещество было названо гиббереллином.

В 1930 году японские химики выделили гиббереллин в кристаллическом виде и предложили структурную формулу. Но эту работу прервала война и до 1950 года о гиббереллине почти никто не знал. Исследования возобновили несколько групп исследователей в Англии и США, и к 1955 году структура первого из гиббереллинов была окончательно установлена.

Обнаружилось, что растения и сами способны вырабатывать похожие вещества, за которыми сохранилось название гиббереллинов. Это - самый обширный класс растительных гормонов, на сегодня их известно более 100. Поскольку большинство из гиббереллинов - кислоты, их принято обозначать как ГК (гибберелловая кислота) с соответствующим индексом. Например: ГК24, ГК53 и т.д. Наиболее часто в экспериментах используют ГК3.

7.2.5.2. Биосинтез гиббереллинов.

В растениях биосинтез гиббереллинов начинается в пластидном компартменте. Из дезоксиксилозо-5-фосфата образуется изопентенилпирофосфат и далее (путем конденсации) геранилпирофосфат и геранилгераниолпирофосфат. Ключевым моментом биосинтеза гиббереллинов является циклизация последнего продукта с образованием энт-копалилдифосфата и энт-каурена, который считается предшесственником всех гиббереллинов (рис.7.17).

Энт-каурен покидает пластиду и дальнейший синтез идет в цитоплазме. Последовательными реакциями окисления образуются энт-кауреновая кислота, энт-гидроксикауреновая кислота ГК12-альдегид и ГК12-кислота. После этого биосинтез гиббереллинов разветвляется на параллельные ветви, которые путем модификации радикалов и замыканием дополнительных циклов внутри молеккул приводят ко всему разнообразию гиббереллинов. Физиологически активными являются далеко не все гиббереллины. Физиологической активностью обладают в частности ГК1, ГК3, ГК4 , ГК7 и др., причем физиологическая активность зависит от видовой принадлежности растения. Одно и то же соединение может быть активно в одном виде растений, но не проявлять физиологической активност в другом.

Биосинтез гиббереллинов контролируется многими факторами. Например, начальные стадии биосинтеза находятся под контролем развития (т.е. включаются на определенных стадиях развития и дифференцировки). Переход от ГК12 или ГК53 к ГК9 или ГК20 зависит от длины дня и от 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, так и красный свет. Эта стадия биосинтеза находится под контролем при прорастании семян.

Рецепция гиббереллиновго сигнала приводит к замедлению указанных выше переходов, и одновременно усиливается превращение активных ГК4/1 в неактивные ГК34/8.

Как и большинство растительных гормонов, гиббереллины могут конъюгировать с сахарами, образуя неактивные гликозиды (запасные формы гиббереллинов). Кроме того, в растениях существуют специфические оксидазы, которые необратимо переводят гиббереллины в неактивные соединения.

О путях передачи гиббереллинового сигнала известно достаточно мало. Рецептор(ы), связывающиеся с гиббереллинами, пока еще не охарактеризованы. Показано, что в трансдукции сигнала участвует цГМФ.

Был выделен мутант арабидопсис spy (spindly) с конститутивным ответом на гиббереллин: растения сильно вытягивались в длину, семена преждевременно прорастали и т.п. Последовательность гена SPY позволяет сделать вывод, что белок работает как N-ацетилглюкозаминтрансфераза. По-видимому, гликозилирование является важным событием в репрессии ответа на гиббереллин. При повреждении белка репрессия снимается, и можно наблюдать постоянный ответ на гиббереллин, который не зависит от добавления гормона.

Еще один белок гиббереллинового ответа был выделен благодаря мутации gai (GA-insensitive). Он оказался транскрипционным регулятором. При повреждении генного локуса GAI растения становились нечувствительными к гиббереллинам.

Гиббереллины способны вызывать синтез специфических транскрипционных факторов, которые обозначены как GAMyb. Эти регуляторы узнают последовательности в промоторных участках многих генов (например, у гена a-амилазы ячменя - о роли этого фермента см. ниже).

7.2.5.3. Основные физиологические эффекты гиббереллинов.

Образно гиббереллины можно назвать "гормонами благополучия зеленого листа". (рис.7.18).

Гиббереллины вырабатываются в основном в фотосинтезирующих листьях (однако, могут ситнезироваться и в корнях). Действуют гиббереллины прежде всего на интеркалярные меристемы, расположенные в непосредственной близости от узлов, к которым прикреплены листья.

Наиболее яркий эффект наблюдается при обработке гиббереллинами интеркалярных меристем злаков: растения сильно вытягиваются, механическая прочность соломины понижается и стебель полегает. Кроме того, при действии гиббереллинов у риса и кукурузы не может образоваться фертильная пыльца. Именно поэтому при болезни баканоэ рис практически не давал урожая.

Если пронаблюдать за ростом ветки яблони, липы или других деревьев, выяснится, что апикальная меристема активна только во второй половине лета, когда закладываются почки с листьями и цветками на следующий сезон. Часто апикальная меристема останавливает рост в еще закрытой почке. Рост ветки начинается весной: почка набухает и из нее образуется длинный побег. Весенний рост целиком происходит за счет интеркалярных меристем.

Почки растений не одинаковы. Так, почки каштана, тополя, яблони,березы покрыты почечными чешуями (или катафиллами). Эти чешуи - видоизмененные листья, которые не занимаются фотосинтезом. Междоузлия между почечными чешуями остаются короткими, и в основании побега остается так называетмое почечное кольцо (близко расположенные рубцы от почечных чешуй). Затем начинаются фотосинтезирующие листья, и чем больше площадь листа, тем длиннее междоузлие под ним. Это означает, что крупный зеленый лист производит гиббереллина больше, чем меньший по площади, и подает более мощный сигнал в интеркалярную меристему. Клетки активнее делятся и растягиваются там, где больше гиббереллина, и междоузлие под крупным листом оказывается длиннее. Нефотосинтезирующие почечные чешуи практически не вырабатывают гиббереллина. Поэтому их незачем разделять в пространстве и нет необходимости создавать листовую мозаику. Интеркалярная меристема не работает, образуется почечное кольцо из сближенных рубцов от почечных чешуй.

У крушины, дёрена, облепихи почечных колец не бывает. Их почки прикрыты листьями, которые весной становятся хорошо развитыми зелеными листьями. Они передают гиббереллиновый сигнал вставочным меристемам, за счет растяжения междоузлий возникает листовая мозаика.

Ясень укрывает свои почки катафиллами, однако весной катафиллы зеленеют. (По форме они сильно отличаются от типичных фотосинтезирующих листьев). Вставочные меристемы получают от них слабый сигнал, и расстояния между рубцами несколько увеличивается.

Несколько сложнее физиологический ответ на гиббереллин у розеточных растений. В начале сезона они образуют прикорневую розетку листьев. Несмотря на крупные размеры листьев, междоузлия между ними не увеличиваются. Гиббереллиновый сигнал направляется к верхушке побега, и когда он превышает некоторый порог, эта меристема начинает образование соцветий. В соцветиях розеточных растений листья уступают в размерах прикорневым, но междоузлия на цветущем побеге гораздо длиннее. Это обусловлено гибберелиновыми сигналами, поступающими в интеркалярные меристемы из ниже лежащих листьев розетки.

Биосинтез гиббереллинов можно подавить с помощью некоторых ретардантов (один из таких агентов - паклобутразол). Паклобутразол широко используется при выращивании растений. Слишком большая высота иногда бывает нежелательной. Например, крупные цветки на коротких цветоножках (т.е. в плотных соцветиях) смотрятся более эффектно, чем на длинных. Если при выращивании высокорослых сортов вовремя провести обработку ретардантом, то получатся "искусственные карлики". Так, из Голландии часто поставляют "карликовые" хризантемы, каланхоэ, горечавки и др. растения. Они пользуются большим спросом, однако после продажи ретарданты перестают действовать и рост растений нормализуется.

7.2.5.4. Гиббереллины и прорастание зерна.

Один из самых ранних эффектов, вызываемых гиббереллинами - это мобилизация запасных питательных веществ при прорастании семян. Лучше всего этот процесс изучен у злаков (ячменя, ржи, пшеницы), поскольку имеет важное практическое значение для производителей пива.

Зерновка злаков состоит из зародыша, эндосперма и семенной кожуры. Запас питательных веществ сосредоточен в эндосперме в виде крахмала (рис.7.19). К моменту созревания зерна крахмалистый слой уже не содержит живых клеток. На периферии эндосперма остается лишь тонкий слой живых клеток, богатых запасными белками - алейроновый слой. Зародыш злаков контактирует с эндоспермом щитком. При прорастании щиток выделяет гиббереллин. Он означает, что зародыш "проснулся", ему нужны питательные вещества. Гиббереллины диффундируют через зону с крахмальными зернами к алейроновому слою эндосперма. В живых клетках алейронового слоя начинается синтез матричных РНК для ферментов, разрушающих крахмал - амилаз. (Промоторы генов амилаз содержат консенсус, который узнают специфические транскрипционные факторы GAMyb, индуцированные гиббереллинами).

Белковые гранул (алейрон) растворяются: запасной белок разрушается до отдельных аминокислот. Аминокислоты служат строительным материалом для синтеза амилаз. Эти ферменты поступают из алейронового слоя к крахмальным зернам. Крахмал разрушается до мальтозы и глюкозы, а эти сахара впитывает щиток и передает остальным тканям зародыша. Вот таким длинным путем осуществляется аттрагирующий эффект гиббереллинов.

Процесс разрушения крахмала в семенах злаков очень важен для пивоварения. Чтобы получить пиво, семена ячменя проращивают, выжидают, когда крахмал разрушится, а затем вываривают проростки в кипящей воде. Экстракт упаривают и получают темную сладкую массу - солод. Качество солода зависит от жизнеспособности зародышей и от того, насколько хорошо они вырабатывают гиббереллины. Чем ниже всхожесть семян, тем хуже солод.

Теперь благодаря открытию гиббереллинов можно получать качественный солод из плохо прорастающих семян - достаточно их обработать слабым раствором гиббереллинов, как начнется разрушение крахмала. Причем даже наличие зародыша оказывается не обязательным: обломки семян также пригодны для производства солода. Сильно ускорился и сам процесс получения солода. Если в старину на это уходило более недели, то сейчас достаточно двух-трех дней.

Еще один пример аттрагирующего действия гиббереллинов - стимуляция развития бессемянных плодов. Особенно это важно при выращивании бескосточковых сортов винограда. Если применить гиббереллин, ягоды получаются более крупными и урожай возрастает.

Гиббереллины стимулируют прорастание не только семян злаков, но и других растений. У подсолнечника и тыквы эти гормоны запускают разрушение запасных жиров и их окисление до сахаров, у бобовых мобилизуют гранулы запасных белков и т.д. Именно поэтому рекомендуют обрабатывать гиббереллином семена, клубни и луковицы перед посадкой: увеличивается % прорастания, рост становится более активным.

7.2.5.5. Гиббереллин и проявление пола у растений.

С помощью гиббереллина можно вызвать изменение пола у растений. В 1970-х годах под руководством М.Х.Чайлахяна были проведены исследования на огурцах и конопле. Огурцы образуют как мужские, так и женские цветки на одном растении, а конопля относится к типично двудомным растениям (мужские и женские цветки на разных экземплярах). Обработка гиббереллинами вызывала увеличение % мужских растений у конопли и усиливала закладку мужских цветков на огурцах. Гормоном-антагонистом в этих экспериментах выступал цитокинин, который вызывал образование женских цветков.

Однако, опыты, проведенные в США на кукурузе показали обратный эффект: при обработке ГК3 за 8-9 дней до мейоза в мужской метелке образовались женские цветки и семена, а обработка за 3 дня до мейоза приводила к мужской стерильности у кукурузы. Мужскую стерильность можно вызывать гиббереллином также у риса (при болезни "баканоэ" - см. выше).

Иногда проявление пола зависит не только от вида, но и от генетической линии, к которой принадлежит растение. Например, обработка гиббереллинами томатов дикого типа вызывала образование избыточного числа гнезд в завязях (стимулировала женское развитие). У мутантов томата stamenless, лишенных тычинок, гиббереллин вызывал нормализацию андроцея, т.е. стимулировал развитие мужской сферы в цветке.

Несомненно, уровень гиббереллинов влияет на проявление пола у растений. Однако, результат зависит от вида, линии, и внешних обстоятельств, при которых проводится обработка.

7.2.5.6. Гиббереллин и цветение растений.

Один из ярких эффектов гиббереллинов - стимуляция цветения ряда растений. Как правило, уровень эндогенных гиббереллинов повышается при увеличении длины дня. У многих растений умеренных широт цветение контролируется фотопериодом. Виды, цветущие на длинном дне, можно заставить цвести с помошью гиббереллинов. В опытах М.Х.Чайлахяна к гиббереллину оказались чувствительными рудбекия, каланхоэ, морковь. Однако, другие виды (например, озимая пшеница) не цвели после обработки гиббереллинами, хотя для всех перечисленных видов важным индуктором цветения является длинный день. Таким образом, участие гиббереллина в регуляции цветения очевидно, хотя результат во многом зависит от частной физиологии того или иного растения.

7.2.6.1. Окрытие абсцизовой кислоты.

Еще в 1949 году были проведены эксперименты по изучению покоящихся почек ясеня. Водный экстракт обладал свойством замедлять рост гипокотилей, а при нанесении совместно с ауксинами эктракт покоящихся почек ингибировал действие ауксинов. Когда покой почек заканчивался, экстракт больше не обладал угнетающим рост действием. Тогда исследователи предположили, что в почках содержится особое вещество - дормин (от английского dormancy - покой).

В 1962-64 годах в Соединенных Штатах Лью и Карес работали над проблемой созревания и опадения коробочек хлопчатника. Они предположили, что в созревающих коробочках хлопчатника накапливается вещество, стимулирующие обезвоживание плода, его растрескивание и формирование отделительного слоя. Гипотетический гормон назвали абсцизином (от abscisio - опадение). В 1965 году абсцизин был выделен и охарактеризован. При этом выяснилось, что абсцизин и дормин - одно и то же соединение. Из-за приоритета за гормоном установилось название, данное Лью и Каресом - абсцизовая кислота (АБК). Заметим, что абсцизовая кислота редко регулирует процессы опадения органов (обычно за это отвечает этилен). Она нужна для введения растения в состояние покоя, поэтому название "дормин" гораздо лучше отражало бы суть регулируемых процессов.

7.2.6.2.Биосинтез абсцизовой кислоты.

При исследовании химической природы АБК оказалась изопреноидным соединением. Она содержит 15 атомов углерода, которые соединены в характерные изопреновые С5-звенья. Обычно изопреноиды синтезируются в пластидах из общего предшественника - дезоксиксилозо-5-фосфата. Далее это соединение превращается в изопентенилпирофосфат - универсальный блок терпеноидного метаболизма (рис.7.20).

В ранних работах было высказано предположение, что АБК синтезируется как одно из ответвлений изопреноидного метаболизма после конденсации трех С5-звеньев. Т.о., эта гипотеза предполагает прямой синтез АБК из более простых предшественников. В последствии оказалось, что прямой синтез АБК характерен только для фитопатогенных грибов (например, для возбудителя серой гнили - Botrytis).

Гипотеза прямого синтеза доминировала в физиологии растений до начала 1990-х годов, пока не появились данные, что мутации, повреждающие биосинтез каротиноидов у растений, одновременно нарушают биосинтез АБК. Оказалось, что у высших растений АБК синтезируется через более сложные предшественники. Т.о., можно рассматривать АБК как продукт специфической деградации каротиноидов.

Первые этапы биосинтеза АБК связаны с виолаксантиновым циклом. Зеаксантин через промежуточный продукт - антераксантин - превращается в все-транс-виолаксантин. 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: С15 (ксантоксин) и С25. С25-фрагмент быстро деградирует, а ксантоксин превращается в абсцизовый альдегид (рис.7.20).

Для последнего этапа биосинтеза необходим молибден-содержащий белок, который катализирует превращение абсцизового альдегида в АБК. Примечательно, что молибденовый кофактор у этого фермента общий с нитрат-редуктазой и ксантин-дегидрогеназой. При мутациях, затрагивающих синтез молибденового кофактора, наблюдается плейотропный эффект: растение не может восстанавливать нитрат и не способно конвертировать абсцизовый альдегид в кислоту (рис.7.20).

В настоящее время у разных растительных объектов получены мутации, затрагивающие тот или иной этап биосинтеза АБК.

7.2.6.3. Передача АБК-сигнала.

До сих пор белки-рецепторы АБК не охарактеризованы в достаточной мере. Один из претендентов на эту роль - белок RPK 1 (receptor-like protein kinase). Он является трансмембранным, связывается с АБК и содержит протеинкиназный цитоплазматический домен.

Известны некоторые из компонентов системы трансдукции АБК-сигнала. Так, сразу после воздействия абсцизовой кислотой в замыкающих клетках устьиц из НАД+ синтезируется циклическая АДФ-рибоза. Этот мессенждер может активизировать Са2+-каналы тонопласта, ионы кальция поступают в цитоплазму из вакуолей и других внутриклеточных депо и рН цитозоля увеличивается. Все это приводит к активизации протеин-фосфатаз ABI 1 и ABI 2. Их роль заключается в дефосфорилировании гипотетического белка-репрессора АБК-сигнала. Пока репрессор фосфорилирован, он не дает проявляться дальнейшим ответам на АБК. Дефосфорилирование инактивирует репрессор, и клетка отвечает на АБК. Если протеин-фосфатазы не активны, репрессор постоянно подавляет ответ на АБК и растение становится нечувствительным к этому гормону - ABA-insensitive (abi). Мутации Arabidopsis по протеин-фосфатазам были сначала идентифицированы как нечувствительные к АБК, поэтому соответствующие гены были названы ABI 1 и ABI 2.

Предполагают, что важную позитивную роль в развитии дальнейшего ответа на АБК играют Са2+-волны, которые распространяются по клетке с интервалом около 1-2 минут. Специфика ответа на АБК у замыкающих клеток устьиц заключается в том, что на плазмалемме открываются быстрые К+-каналы и медленные анионные каналы, через которые происходит отток калия, хлорида и малата. В результате клетка быстро теряет ионы, понижается осмотическое давление в цитоплазме, выходит вода и теряется тургор. Устьичная щель закрывается. Заметим, что закрывание устьиц в ответ на АБК - очень быстрая реакция, при которой механизмы геномной регуляции не успевают включиться.

Для процессов активизации/инактивации генов в ядре важным регулятором является белок ABI 3 (или его гомолог у кукурузы - VP 1). В аминокислотной последовательности обнаружены ДНК-связывающие участки, которые характерны для транскрипционных активаторов. Без ABI 3 или VP 1 не могут экспрессироваться гены созревания эмбриона (EM-гены от embryo maturation), не запускается биосинтез антоцианов, не накапливаются запасные белки в семенах и т.д. В соотвтетствующих промоторах найден достаточно консервативный мотив, который называют АБК-регулируемой последовательностью (ABRC).

Впрочем, одного белка ABI 3 или VP 1 недостаточно для активации транскрипции через ABRC-мотив. Для этого необходим довольно сложный транскрипционный комплекс, в который могут входить, например, EMB-белки (димерные транскрипционные факторы типа "лейциновой зестежки").

Повреждение белков ABI 3 или VP 1 в результате мутации ведет к нарушению процессов формирования зрелого семени и преждевременному прорастанию.

7.2.6.4. АБК-гормон осмотического стресса

Абсцизовая кислота появляется в клетке в ответ на изменение состояния воды. В обычных условиях это изменение вызывается тремя факторами:

1. Подсушиванием.

2. Повышением концентрации веществ в клетке.

3. Охлаждением.

Во всех трех случаях вода оказывается для клетки менее доступной, т.е. наблюдается водный дефицит.

Для нормальной жизнедеятельности все молекулы клетки должны находится в определннных условиях оводнения. Белки и нуклиновые кислоты удерживают воду с помощю водородных связей. Кроме того в клетке поддерживается определенная ионная сила, которая также важна для поддержания конформации белков и нуклиновых кислот.

Нехватка воды и повышениие концентрации ионов могут привести к денатурации биологически активных молекул. При повторном увлажнении вернуть им активность сложно. Поэтому клетка должна принять меры, чтобы ДНК, РНК и белки сохраняли свою структуру (конформацию). Этим и обусловленны эффекты АБК на клеточном уровне.

В клетке повышается конценрация осмотически активных веществ. В ответ на абсцизовую кислоту повышается уровень аминокислоты оксипролина, сахарозы и других низкомолекулярных веществ. Осмотическое давление увеличивается, а это препятствует потере воды. Если в окружающей среде есть вода, она начинает активнее поступать в клетку. Кроме этого в клетках появляется небольшой белок, способный образовать особенно много водородных связей с водой. Известно, что вода из водяных "шуб", в которые одеты макромолекулы, испаряется очень неохотно. Маленький белок названн осмотином. В клетках можно увидеть даже появление гранул, состоящих из этого белка.

В ответ на АБК в клетке синтезируются полиамины (спермидин, путресцин). Эти вещества обладают положительным зарядом за счет протонированных атомов азота. Молекулы ДНК и РНК заряженны отрицательно, поэтому они легко ассоциируются с молекулами полиаминов. Комплексы нуклиновых кислот с полиаминами более устойчивы как к изменению ионной силы, так и к обезвоживанию. Синтез новых ДНК и РНК под действием АБК прекращается, клетка переходит в состояние покоя.

Не менее вреден для растительной клетки холод. Вода начинает кристаллизоваться, нарушая структуру мембран. Поэтому главная задача клетки при охлаждении - не допустить кристаллизации воды. Кроме того, существует эффект вымораживания солей: вещества растворенные в воде не включаются в состав кристалов льда, и в незамерзшей части раствора их концентрация повышается, т.е. увеличивается ионная сила (как при засухе). Похожие проблемы вызывают похожие "ответные действия" на стресс: останавливается синтез белков, ДНК и РНК, накапливаются полиамины, оксипролин, сахара и осмотин. Сахара и осмотин припятствуют образованию кристаллов льда в переохлажденной клетке: твердая вода становится аморфной, лед не повреждает мембраны. Биосинтез окрашенных соединений - антоцианов - также зависит от уровня АБК в растениях. При понижении температуры уровень АБК повышается, растения приобретают красную или фиолетовую окраску, хотя физиологический смысл этой реакции оастется не понятным.

Мутантные растения с нарушенным синтезом АБК, быстро гибнут при легкой засухе и при слабых заморзках. Хотя все защитные механизмы имеются, они не включаются без абсцизовой кислоты. Если перед неблагоприятным воздействием в мутантное растение ввести АБК, его устойчивость повышается.

Что бы бороться с водным дифицитом, нужно прежде всего закрыть устьица. Действительно, АБК в течении 10-15 минут закрывает устичные щели у самых различных растений. Водный диффицит может наблюдаться не в листе а в корнях. Тогда корень подает сигнал через АБК и устьица закрываются. В сильную засуху растение сбрасывает старые (нижние) листья, стремясь избавится от лишней испаряющей поверхности. Только в этом случае АБК отвечает за листопад. Повторим, что осенний листопад у растений умеренных широт находится под контролем этилена.

При водном дефиците должны остановиться процессы роста (ведь на 95-98 % органы растений состоят из воды). Действительно, АБК угнетает растяжение клеток, вызванное ауксином и приостанавливает транспорт самого ауксина.

Абсцизины могут появляться в ответ на увеличение концентрации некоторых веществ снаружи от клетки. Это могут быть сахара, которые образуются в листьях активно растущих веток. Действительно, в молодых ветках яблони содержание АБК повышенно. Ветка в середине лета впадает в состояние физиологического покоя, мы не наблюдаем видимого роста (т.е. растяжения клеток под действием ауксина или гибберелина). Но клеточные деления все равно происходят. Меристемы продолжают работать. В результате на насыщенном АБК побеге развиваются почки - побеги будущего года. Из физиологического покоя растение сложно вывести внешними факторами. Высокий уровень АБК не дает транспортироваться ауксинам из апикальной почки, поэтому нет апикального доминирования: боковые почки развиваются в пазухах всех листьев.

АБК продолжает действовать на почки в течении всего лета. Заканчивается ее действие у разных растений в разное время. У деревьев умеренной зоны действие АБК прекращается в зимние месяцы. У конского каштана действие АБК прекращается осенью, поэтому в теплую осень почки, освободившиеся от абсцизинов, открываются и деревья повторно цветут. У других растений высокое содержание АБК держится до заморзков, а то и до января-февраля. Только тогда АБК может начать разрушаться.

Разрушению АБК препятствует низкая температура воздуха. Физиологи говорят, что наступила фаза вынужденного покоя. Вынуждают покоится растение неблагоприятные внешние факторы (низкая температура или недостаток воды). Как только их действие ослабеет, АБК разрушается и начинается видимый рост. Поэтому во второй половине зимы почки охотно распускаются если перенести растения в теплое помещение.

7.2.6.5. Регуляция покоя семян АБК.

Самый глубокий физиологический покой - это покой семян, который может прдолжаться десятками лет. В начале развития зародыш посылает сигналы от стеблевого и корневого апексов (ауксины и цитокинины) в плод и далее по всему растению, для того что бы обеспечить себя питательными веществами и быстро расти. Но когда окончательный размер зародыша достигнут и начинается синтез АБК. В некоторых случаях (как у кукурузы) этот синтез может быть вызван сахарозой, которую крупный зародыш аттрагировал в большом количестве. АБК через белки VP 1 (ABI 3) активизирует синтез белков эмбринального созревания - EM (embryo maturation) или LEC 1 (leafy cotyledon), которые регулируют дальнейшие процессы переходя в состояние покоя (рис.7.21).

Абсцизовая кислота вызывает синтез крахмала в эндосперме и запасного белка - алейроновых гранул в алейроновом слое. "По совместительству" запасной белок обладает функцией осмотина: он хорошо удерживает воду. ДНК и РНК упаковываются в белки и полиамины (спермидин - полиамин, впервые выделенный из семян), рост прекращается и начинается обезвоживание. Зародыш теряет воду, и вместо обычных 95-97% она составляет 14% и менее от общей массы зародыша. Если плод сухой то вместе с зародышем усыхает и он. В створках вскрывающихся плодов заранее закладываются механически ослабленные слои клеток, так что при потере воды эти слои лопаются и плод вскрывается. Именно этот процесс и изучали первооткрыватели АБК.

Если плод сочный, и семена внутри него уже подсушились, настает черед этилена: плод делается мягкими опадает.

Глубина подсушивания семян и концентрация АБК, накопленной в них, у разных видов различаются. Так, семена лесных растений (пролески, хохлатки, подснежники, галантусы и др.) практически не обезвожены и не приспособлены к сильному подсушиванию. Накопленная АБК действует в течении всего лета и часто осени, мешая им прорастать.

У степных и пустынных растений (ковылей, тюльпанов, оносмы) семена усыхают очень сильно, а АБК разрушается лишь после сезона дождей и зимней прохлады. Особенно много АБК накапливается в зрелых семенах пионов, боярышника, волчего лыка. Что бы запустить процессы ее разрушения приходится дважды охлаждать семена. Для надежного получения всходов рекомендуется собирать слегка недозрелые семена - содержание АБК у них ниже, чем у полностью созревших.

Некоторые растения "удаляют" АБК из семян с помощью весенних талых вод. Чтобы прорастить такие семена достаточно промыть их проточной водой.

У большинства культурных растений (горох, пшеница, рожь) период действия АБК очень краткий и достаточно предоставить зародышу влагу, как АБК разрушится, и семя пойдет в рост. Особенно неприятно это явление в сезон осенних дождей, когда на промокших колосьях (или в бобах) начинается прорастание семян.

7.2.6.6. Синдром дифицита АБК.

Абсцизовая кислота - важный гормон в жизни растений, хотя он не является необходимым. В отсутствии ауксина или цитокинина растение ждет неминуемая смерть, а в отсутствии АБК при хороших условиях можно спокойно жить. Конечно, если настанет засуха или мороз, без АБК обойтись нельзя. Этим свойством и пользуются ученые , чтобы обнаружить мутантов с нарушенным биосинтезом АБК. После мутагенеза высаживают потомков, среди которых попадаются самые разнообразные мутации. Делянку не поливают и ждут, какие растения подвянут первыми. (Обычно без АБК растение не может закрыть устьица и завядает при малейшей засухе). Эти экземпляры помечают, отсаживают и "отпаивают" водой. До образования семян мутанты ничем не отличаются от нормальных растений. Но семена никак не хотят накапливать питательные вещества, не впадают в состояние покоя и прорастают тут же, еще в плоде. Такое явление получило название вивипарии (буквально - живорождение). Семена нужно немедленно снимать с материнского растения и выращивать дальше.

У кукурузы мутации с таким фенотипом называют vp (от viviparous). Например, ген VP 8 отвечает за превращение АБАльдегида в АБК, а ген VP 1 - за передачу сигнала от АБК на уровне транскрипции.

7.2.6.7. АБК и форма листьев.

Многие водные растения после того, как достигнут поверхности воды развивают листья принципиально отличные от водных. Подводные листья довольно тонкие, со слабо развитой механической тканью, без устьиц. Газообмен с водной фазой происходит по всей поверхности листа - он обычно не покрыт восковым слоем кутикулы. Оказавшись в воздушной среде, подводный лист гибнет.

Надводные листья более прочные, покрыты кутикулой и имеют устьица для газообмена с воздухом. Под водой эти листья не справляются с газообменом, поскольку устьица в этих условиях сжимаются окружающими клетками эпидермиса.

Условия воздушной среды более засушливые, чем условия под водой. Поэтому как только точка роста оказывается над водой в ней повышается содержание АБК. Меристема начинает образовывать надводные листья. Если поместить растение в аквариум с раствором АБК, меристема решит, что ее "вынули" из воды и начнет образовывать воздушные листья (рис.7.22).

Более чем 50 видов водных растений с которыми были поставлены аналогичные эксперименты продемонстрировали одинаковый механизм регуляции типа листьев. Из растений средней полосы это стрелолист (Sagittaria), водный лютик (Batrachium), омежник водный (Oenanthe) и др.

Аналогичный механизм регуляции работает при смене генераций листьев у полупустнынных растений. В зависимости от сезона года они развивают либо С-3, либо С-4 листья. Как известно, листья этих типов отличаются анатомически. Изменить анатомию зрелого листа невозможно, поэтому при засухе наблюдается листопад С-3 листьев, а на смену им развиваются более приспособленные к водному дефициту С-4 листья. Сигналом для листопада С-3 листьев и для формирования С-4 листьев служит АБК.

У луковичных растений АБК по-разному действует на подземную и надземную часть листа. У лука обработка АБК вызывает перестройку цитоскелета в клетках подземной части: вместо продольного расположения кортикальных микротрубочек наблюдается поперечное. Клетки перестают расти в длину и начинают утолщаться, запасают сахара (концентрация сахаров может достигать 7-10% от сырой массы!). Надземная часть листа, напротив, увядает, вещества из нее перемещаются в соответствующую чешую. Луковица переходит в состояние покоя, вызванного засухой.

7.2.7. ЭТИЛЕН - СИГНАЛ МЕХАНИЧЕСКОГО СТРЕССА.

7.2.7.1. Открытие физиологической роли этилена.

В 1901 году Дмитрий Николаевич Нелюбов выращивал горох в лаборатории, в Санкт-Петербурге, но семена давали искривленные, укороченные проростки, у которых верхушка была согнута крючком и не разгибалась. В теплице и на свежем воздухе проростки были ровные, рослые, и верхушка на свету быстро распрямляла крючок. Нелюбов предположил, что фактор, вызывающий физиологический эффект, находится в воздухе лаборатории.

В то время помещения освещали газом. В уличных фонарях горел тот же газ, и давно было замечено, что при аварии в газопроводе стоящие рядом с местом утечки газа деревья преждевременно желтеют и сбрасывают листья.

Осветительный газ содержал разнообразные органические вещества. Чтобы удалить примесь газа, Нелюбов пропускал его через разогретую трубку с оксидом меди. В "очищенном" воздухе проростки гороха развивались нормально. Для того, что бы выяснить, какое именно вещество вызывает ответ проростков, Нелюбов добавлял различные компоненты светильного газа по очереди, и обнаружил, что добавка этилена вызывает:

1) замедление роста в длину и утолщение проростка,

2) "не разгибающуюся" апикальную петельку,

3) изменение ориентации проростка в пространстве (рис.7.23)

Эта физиологическая реакция проростков была названа тройным ответом на этилен. Горох оказался настолько чувствительным к этилену, что его стали использовать в биотестах для определения низких концентраций этого газа. Вскоре было обнаружено, что этилен вызывает и другие эффекты: листопад, созревание плодов и т.д. Оказалось, что этилен способны синтезировать сами растения, т.е. этилен является фитогормоном.

7.2.7.2. Биосинтез этилена.

Синтез этилена в растениях начинается с аминокислоты метионина. (рис.7.24).Взаимодействуя с АТФ, образуется S-аденозилметионин. (Этот интермедиат используется не только в биосинтезе этилена, но и при синтезе полиаминов и др. соединений. Обычно S-аденозилметионин является донором метильных группировок).

S-аденозилметионин превращается в 1-аминоциклопропан-1-карбоновую кислоту (АЦК) с помощью АЦК-синтазы. АЦК можно рассматривать как неактивную транспортную форму этилена, а количество образовавшегося этилена зависит от экспрессии гена АЦК-синтазы.

Циклопропановая группировка является напряженной (между атомами углерода нехарактерный угол в 60╟). Тем не менее разрушение АЦК с образованием этилена - ферментативный процесс.

После образования этилен может окисляться в растительных клетках, что, по-видимому, необходимо для модуляции действия этого фитогормона. Однако процесс окисления этилена слабо изучен.

7.2.7.3. Рецепция и передача сигнала.

У Arabidopsis обнаружено небольшое генное семейство белков-рецепторов этиленового сигнала. По фенотипическому проявлению гены были названы ETR1, ETR2(ethylene-resistant), EIN4 (ethylene-insensitive), ERS1 и ERS2. Белки-рецепторы оказались высоко гидрофобными, т.е. они входят в состав мембран. Для связывания молекулы этилена необходим атом меди, который входит в состав рецепторного белка. Кроме того, рецепторы этилена оказались родственными двухкомпонентным гистидин-киназам и участвуют как в процессе атофосфорилирования так и в фосфорилировании других белков.

Рецепторный белок находится в комлексе с серин/треонин-киназой CTR1. Ближайшим мессенждером является мембранный белок EIN2 с пока еще не выясненной функцией. В каскаде усиления участвуют MAP-киназы и некоторые транскрипционные факторы (например, EIN3).

В отличие от других гормонов, при рецепции этилена использует механизм негативной регуляции. В отсутствие этилена рецепторный белковый комплекс находится в активном состоянии. При этом физиологический ответ на этилен подавляется. При связывании этилена рецептор переходит в неактивное состояние, ответ оказывается "разрешенным".

Пути восприятия этилена в растении продублированы несколькими рецепторами, поэтому получить полностью нечувствительные к нему растения достаточно трудно. Для этого необходимо, чтобы растение оказалось мутантным по 4-5 генным локусам одновременно.

7.2.7.4. Этилен как гормон механического стресса.

Выделение этилена тесно связано с механическим воздействием на клетки растений. Возьмем пример ответа проростка гороха, который наблюдал Нелюбов. Пока росток не достиг поверхности, нужно защищать нежные клетки верхушечной меристемы от повреждения. Поэтому происходит изгиб и образование апикальной петельки. Сквозь почву растет не меристема, а более прочный нижележащий участок (рис.7.23).

Когда на пути проростка появляется механическое препятствие (камень), проросток выделяет больше этилена, рост в длину приостанавливается и начинается утолщение. Проросток стремится преодолеть препятствие, усилив давление. Если это удалось, концентрация этилена падает и рост в длину восстанавливается. Но если препятствие слишком крупное, то продукция этилена еще больше усиливается. Проросток отклоняется от вертикали и огибает камешек.

В воздушной среде концентрация этилена падает, проростки разгибают апикальную меристему и начинается развитие листьев.

7.2.7.5. Этилен и прикосновение.

Вплоть до 1991 года у физиологов растений были достаточно отрывочные представления о том, как именно растения чувствуют прикосновение. Методом вычитания с-ДНК-библиотек было установлено, что опрыскивание растений Arabidopsis thaliana водой вызывает синтез новых матричных РНК - через 10-15 минут их уровень поднимался в сотни раз.

Опрыскивание является комплексным фактором: изменяется влажность воздуха, создается тень от водяных паров, и, наконец, листья подвергаются механической нагрузке. Каждый из факторов был исследован по отдельности.

Выяснилось, что влажность не играет никакой роли, но если растение потереть стеклянной палочкой, оно почувствует это и через 10-15 минут ответит экспрессией новых м-РНК. Обнаруженные гены были обозначены как TCH1, TCH2, TCH3, TCH4, TCH5 (от английского touch - прикосновение).

Если не прикасаясь к растению внезапно накрыть его черным колпаком, то в нем также повышается уровень TCH-матриц. Создание достаточно мощных звуковых эффектов не привело к желаемому результату : матричные РНК TCH в составе клеток не появились.

За что же отвечают гены, продукты которых появляются в клетках при прикосновении? Они оказались очень похожи на известные кальций-связывающие белки - кальмодулины. Эти белки вместе с Са2+ активизируют работу цитоскелета и способствуют переходу из золя в гель многих структур в растительной клетке. Растения, которые часто беспокоили стеклянной палочкой, заметно отстают в росте от тех к которым не прикасались, однако оказываются механически более прочными, закаленными.

Белковый продукт гена TCH 4 оказался ксилоглюкан-эндотрансгликозилазой. Синтез этого белка можно вызвать также брассиностероидами (см. ниже).

Те же эффекты можно вызвать добавлением этилена. При этом также происходит синтез Са-связывающих TCH-белков.

7.2.7.5. Этилен и прикосновение.

Вплоть до 1991 года у физиологов растений были достаточно отрывочные представления о том, как именно растения чувствуют прикосновение. Методом вычитания с-ДНК-библиотек было установлено, что опрыскивание растений Arabidopsis thaliana водой вызывает синтез новых матричных РНК - через 10-15 минут их уровень поднимался в сотни раз.

Опрыскивание является комплексным фактором: изменяется влажность воздуха, создается тень от водяных паров, и, наконец, листья подвергаются механической нагрузке. Каждый из факторов был исследован по отдельности.

Выяснилось, что влажность не играет никакой роли, но если растение потереть стеклянной палочкой, оно почувствует это и через 10-15 минут ответит экспрессией новых м-РНК. Обнаруженные гены были обозначены как TCH1, TCH2, TCH3, TCH4, TCH5 (от английского touch - прикосновение).

Если не прикасаясь к растению внезапно накрыть его черным колпаком, то в нем также повышается уровень TCH-матриц. Создание достаточно мощных звуковых эффектов не привело к желаемому результату : матричные РНК TCH в составе клеток не появились.

За что же отвечают гены, продукты которых появляются в клетках при прикосновении? Они оказались очень похожи на известные кальций-связывающие белки - кальмодулины. Эти белки вместе с Са2+ активизируют работу цитоскелета и способствуют переходу из золя в гель многих структур в растительной клетке. Растения, которые часто беспокоили стеклянной палочкой, заметно отстают в росте от тех к которым не прикасались, однако оказываются механически более прочными, закаленными.

Белковый продукт гена TCH 4 оказался ксилоглюкан-эндотрансгликозилазой. Синтез этого белка можно вызвать также брассиностероидами (см. ниже).

Те же эффекты можно вызвать добавлением этилена. При этом также происходит синтез Са-связывающих TCH-белков.

7.2.7.6. Этилен и заживление ран.

Многие растения образуют млечники, которые содержат латекс (натуральный каучук). Однако каучук не "застывает" внутри млечников (как и не сворачивается кровь в сосудах). Но стоит растение повредить, на поверхность выступает латекс, который быстро твердеет и закупоривает место повреждения. Латекс склеивает споры грибов и бактерий, застывает в ротовом аппарате насекомых или приклеивает их к капельке выступившего каучука (рис.7.25).

О том, что заставляет латекс быстро твердеть при повреждении растения, долгое время ничего не знали бы, если бы не запросы сельского хозяйства. На плантациях гевеи затвердение латекса - вредный процесс: приходится заново делать насечки на стволах деревьев, подставлять сосуды для сбора каучука в новые места, что создает массу лишней работы.

Оказалось, что латекс застывает под действием этилена. Важную роль при этом играет минорный белок латекса - гевеин. С застыванием латекса можно до некоторой степени бороться, обрабатывая растения ингибиторами синтеза этилена. (Наиболее известный ингибитор - ионы серебра, но есть и более дешевые). Таким образом, у растений-каучуконосов этилен способствует заживлению механических повреждений.

Кроме того, под действием этилена активизируется особая ткань раневая перидерма. Образуется пробковый камбий, который образует слой суберинизированной пробки, отделяющей здоровую (живую) ткань от больной (мертвой). Пробка высоко гидрофобна, что позволяет эффективно пресечь распространение грибов и бактерий, попавших в рану, предохраняет здоровую ткань от чрезмерного испарения.

Размеры и место образования раневой перидермы отличаются у разных растений. Так медуница образует раневую перидерму в нескольких миллиметрах от зоны повреждения (например, грибами). Участок листа, окруженный раневой перидермой, выпадает.

У фасоли активизируется раневая перидерма в основании листовой пластинки, и растение жертвует поврежденной частью сложного листа во имя безопасности целого растения.

Казалось бы, раневая перидерма может быть полезна лишь при нападении бактерий и грибов. Однако и при нападении насекомых и клещей она играет немаловажную роль. Под действием этилена происходит локальный "листопад" - поврежденный лист опадает на землю вместе с вредителем. Шансов вновь добраться до кроны у вредителей меньше. Защитный "листопад" наблюдается, например, у роз при нападении паутинного клеща.

7.2.7.7. Регуляция листопада в умеренных широтах.

Этилен регулирует явление листопада. Эта реакция настолько впечатлила физиологов растений, что этилен иногда считают гормоном старения растений. Явление листопада - это не просто старение. Так, в тропиках отдельные листья живут 3-4 года (часто больше). Сокращение сроков жизни листа связано с защитной реакцией на механический стресс.

При опадании листьев образуется очень много открытых ранок в местах прикрепления. Чтобы лист отделился без вреда для целого растения, в его основании формируется отделительный слой. Его работа практически идентична работе раневой перидермы. Место будущего повреждения закрывается пробкой, вышележащая ткань разрыхляется и становится непрочной, лист опадает. Что бы разрыхлить клеточную стенку, в нее выделяются пектиназы. При расщеплении пектина высвобождаются физиологически активные вещества - олигосахарины (см. далее), которые стимулируют дальнейшее размягчение клеточных стенок.

Листья, которые готовятся к листопаду, передают соединения азота и углеводы другим частям растения. Хлорофилл разрушается, и лист желтеет. В тканях накапливаются вредные вещества, которые будут удалены из растения листопадом.

Таким образом явления листопада и защиты от повреждений тесно связаны. В случае листопада в умеренных широтах мы видим опережающую физиологическую реакцию. Зимой листья повреждаются морозом, на них падает снег, вызывая усиление механической нагрузки на ветки. Растение как бы "предусматривает" будущий механический стресс и заранее освобождается от листьев. Поэтому, не удивительно, что все процессы, связанные с потерей листьев в районах с холодной и снежной зимой, находятся под контролем этилена.

7.2.7.8. Формирование и созревание плодов.

Начало жизни плода лежит еще в цветке, точнее в завязи. На поверхности рыльца попадают пыльцевые зерна, они начинают прорастать и механически давят на проводниковую ткань столбика, что бы достичь семязачатков, спрятанных в глубине пестика. Естественно, что при прорастании пыльцы ткани столбика начинают выделять этилен.

Разные части цветка по-разному отвечают на сигнал этилена. Так, все органы, привлекавшие насекомых-опылителей либо отмирают, либо меняют окраску. В считанные часы после опыления лепестки ипомеи теряют тургор и увядают. У листочков околоцветника лилии в основании активизируется отделительный слой, и они опадают (сравните с явлением листопада). У медуницы меняется рН (кислотность) вакуолярного сока и цветки из розовых превращаются в синие. У белокрыльника (Calla palustris) этилен вызывает изменение цвета покрывала соцветия с белого на зеленый. В дальнейшем растение использует покрывало как дополнительный источник фотоассимилятов для развивающихся плодов. (Заметим, что в одних случаях этилен вызывает разрушение хлорофилла, пожелтение и опадание листьев, тогда как в других, способствует усилению фотосинтеза).

Тычинки при действии этилена увядают, а завязи начинают активно расти, привлекая новые питательные вещества.

Особенно важен этилен на последнем этапе созревания сочных плодов. Здесь "играют" практически все рассмотренные эффекты. Плод останавливается в росте (как и проросток наткнувшийся на препятствие), клетки плода начинают выделять в апопласт пектиназы - плоды становятся мягкими. Кроме того, образуются физиологически активные фрагменты пектина - олигосахарины (см. далее). В ножках плодов активизируется отделительный слой и образуется раневая перидерма ( как при листопаде), меняется рН - плоды становятся менее кислыми, а так же меняется их окраска с зеленой на более желтую или красную (как у лепестков некоторых растений).

Заметим, что раньше других созревают и опадают поврежденные плоды. Механический стресс вызывают птицы, личинки насекомых или фитопатогенные грибы. Как в случае листьев, растение стремится отбросить некачественный плод, чтобы остальные плоды оказались по возможности здоровыми.

Созревание плодов под действием этилена - это такая же упреждающая физиологическая реакция, как листопад. Сочные плоды распространяются птицами и млекопитающими, которые повреждают плоды при поедании, и растение заранее продуцирует этилен.

Свойство ускорять созревание плодов было обнаружено у этилена давно, еще в 20-е годы и с тех пор его широко используют. При транспортировке важно, чтобы плоды оставались прочными и зелеными. Для этого их перевозят в проветриваемой таре, оберегая плоды от механических повреждений, вызывающих синтез этилена. Кроме того, биосинтез этилена замедляется при пониженной температуре и при высокой концентрации углекислоты в воздухе. В принципе можно было бы применять и ингибиторы биосинтеза этилена, если бы не их токсичность для человека. Единственное место применения ингибиторов - хранение срезанных цветов. В Голландии цветы ставят не в обычную воду, а в специальный раствор, который помимо минеральных солей, продуктов фотосинтеза и антисептиков содержат ингибиторы синтеза этилена. С помощью таких добавок торговцам удается сохранять букеты свежими в течении многих дней.

Чтобы этилен не образовывался в плодах, получают мутанты с нарушенным биосинтезом этилена. Уже получены сорта томатов, созданные на основе таких мутантов. Эти томаты можно очень долго хранить и перевозить на далекие расстояния. Незадолго до продажи их обрабатывают этиленом и плоды быстро созревают. Однако, такая технология заметно снижает вкусовые качества плодов.

Существует поговорка, что одно гнилое яблоко портит целую бочку. Это действительно так. Гнилое яблоко служит источником этилена, который вызывает размягчение тканей у остальных яблок. Более того, каждый плод начинает вырабатывать свой этилен по мере созревания и в бочке начинается "цепная реакция" производства этилена.

7.2.7.9. Биотический стресс.

Самый распространенный из механических стрессов вызывают травоядные животные. В ответ на обработку этиленом в листьях многих растений начинается синтез веществ, препятствующих поеданию биомассы.

На Африканском континенте люди решили приручить антилоп, поскольку они более приспособлены к местным условиям, чем европейский скот. Для этого построили загоны вокруг зарослей акации (природный корм антилоп). Однако животные стали погибать в загонах, хотя корма явно хватало. Оказалось, что антилопы гибнут от отравления.

Анализ химического состава листьев акации в загоне показал, что они богаты полимерными фенольными соединениями - таннинами. Таннины ядовиты для антилоп. Акации в естественном месте обитания содержат мало таннинов. Выяснилось, что образование таниннов можно вызвать этиленом. Антилопы повреждают акации, при этом деревья выделяют этилен, а затем происходит синтез ядовитых веществ. Интересно, что этиленовый сигнал передается по воздуху (это и не удивительно - этилен- газообразное вещество). У акаций, которые росли рядом с загоном, также повышалась концентрация этилена "на всякий случай": если соседнее растение повреждено, нужно о себе позаботится зарание.

В природе антилопы часто перемещаются от заросли к заросли, когда таннины накапливаются, антилопы уже пасутся на другом месте.

К другому классу защитных соединений принадлежат ингибиторы протеиназ. Для переваривания белковой пищи необходимы ферменты, разрушающие белки. Наиболее известен компонент желудочного сока - трипсин. Некоторые растения вырабатывают вещества, инактивирующие трипсин и похожие на него ферменты. Под действием механического стресса растения вырабатывают этилен, этилен вызывает синтез ингибиторов протеиназ, эти вещества попадают в желудок теплокровных или насекомых и вызывают сильные нарушения пищеварения.

Под действием этилена растения могут вырабатывать фитогемаглютины. Это название вещества получили за свойство склеивать эритроциты крови. При поедании биомассы фитогеммаглютины попадают в желудок и кишечник, а оттуда всасываются в кровь. Эритроциты слкеиваются, образуются тромбы и происходит закупорка кровеносных сосудов. В высокой дозе фитогеммаглютины смертельны.

Механические повреждения могут быть вызваны самыми различными причинами. Так растение может оказаться сломленным ветром. Растение должно точно знать, что механическое повреждение - это не специальное нападение извне. Именно для этих целей под действием этиилена клетки выбрасывают в окружающую среду ферменты - хитиназу и b-глюканазу. Напомним, что хитин содержится в насекомых и грибах, а глюкан - компонент растительной клеточной стенки. Ферменты способны до некоторой степени разрушать хитин. Казалось бы, полное разрушение хитина может спасти растение от нападения. К сожалению, хитиназы вырабатывается очень мало.

Перечисленные ферменты образуют олигомерные водорастворимые фрагменты хитина и гликана (олигосахарины -см. ниже). Эти фрагменты воспринимаются клеткой как сигнал опасности. Тогда начинается второй этап ответа на повреждение. Если хитиназа и b-глюканаза не обнаруживают в зоне повреждения грибов, то токсичные вещества перестают вырабатываться (растение экономит силы).

В случае инфекции самый сильный ответ - реакция сверхчувствительности. Пораженная клетка "отключает" систему защиты от активных форм кислорода, образуется очень много перекисей, супероксид-анионов и других свободных радикалов, в результате чего клетка гибнет. Но вместе с ней гибнет и попавший в растение паразит. В развитии реакции сверхчувствительность важную роль играют салициловая и жасминовая кислоты (см. ниже), которые синтезируются в том числе и при действии этилена.

Клетки, которые окружают зону инфекции, начинают синтез токсичных веществ. Если эти вещества синтезируются в процессе инфекции de novo, их называют фитоалексинами. Химическая природа фитоалексинов зависит от систематического положения растения. Так, картофель образует сесквитерпеноидные фитоалексины, у бобовых фитоалексины синтезируются на основе фенольных соединений и т.п.

К высокомолекулярным защитным веществам растений можно отнести лектины. Так называются белки и гликопротеиды, которые обладают способностью связываться с полисахаридами и родственными им соединениями. Определенные группы лектинов способны связываться с хитином в клеточных стенках грибов. Для роста гиф грибов необходимо ослабить связи между хитиновыми волокнами. Но эти волокна оказываются прочно склеенными с помощью растительных лектинов и грибная клеточная стенка не сможет растягиваться. То же самое происходит и с бактериями, которые оказываются склеенными другой группой лектинов.

Кроме перекисей, фитоалексинов и лектинов к месту инфекции транспортируются и ингибиторы протеиназ. Это позволяет остановить разрушение белков растительных клеток в месте инфекции.

Немаловажную роль в защите играет непосредственно этилен. Так, грибы, вызывающие ржавчину, для своего роста нуждаются в полиаминах - путресцине и спермидине (эти вещества продуцируют растения). Полиамины имеют общее звено биосинтеза с этиленом: S-аденозилметионин. Продукция этилена вызывает остановку синтеза полиаминов. Грибы оказываются лишенными фактора роста и гораздо хуже инфицируют растения. Подавление биосинтеза этилена ведет к усилению инфекции, а если ингибируют синтез полиаминов, ржавчина почти не развивается.

7.2.7.10. Этилен и цветение ананасов.

Цветение ананасов (как и других растений из семейства бромелиевых) можно вызвать обработкой этиленом. В природе бромелиевые цветут, когда им удается набрать некоторый "критический" размер. Но в промышленной культуре это свойство не очень полезно: растения цветут и плодоносят не одновременно.

К счастью, цветение ананасов можно регулировать. В оранжереях Санкт-Петербурга царские садовники применяли такой прием: ананасы вынимали из горшка и несколько дней подвешивали корнями кверху. Механический стресс (подвешивание) вызывает синтез этилена, и именно этот газ вызывает цветение ананасов. Вопрос лишь в том как добыть этилен и массово обработать им ананасы на плантациях, что бы все они одновременно зацвели.

На Гавайских островах среди ананасов расставляли плошки с нефтепродуктами и поджигали. При неполном сгорании получаются небольшие порции этилена (которых, впрочем, вполне достаточно для стимуляции цветения). На Кубе ананасы поливали карбидной водой. Карбид кальция при взаимодействии с водой дает ацетилен, микрофлора почвы восстанавливает его до этилена, что и нужно для цветения ананасов. Можно рекомендовать поместить горшок с ананасом в полиэтиленовый пакет вместе со спелым бананом и плотно завязать его.

Но в современном сельском хозяйстве эти методы практически не применяют. Существуют химические агенты (например, этрел), которые сами разрушаются в организме растения с образованием этилена. Именно этими препаратами обрабатывают ананасы.

Стимуляция образования цветков не характерна для этилена. Скорее, дело не в этилене, а в эволюционных связях и экологии бромелиевых.

Представители этого семейства распространены в тропиках и субтропиках обеих Америк. Подавляющее большинство бромелиевых обитает на деревьях. Эпифитные бромелиевые ведут необычный образ жизни. Главный поглощающий орган у них не корень а лист. Из листьев бромелиевые образуют плотную воронку, в которой скапливается дождевая вода, пыль и листовой опад, выводят свое потомство комары и лягушки, обитающие в десятках метров от поверхности почвы. Бромеливые создают резервуары воды на большой высоте с уникальной биотой, развивающийся в них. Из резервуара листья впитывают минеральные соли, отсюда же растения "пьют", когда наступает засушливое время. Без воды в розетке листьев бромеливые существовать не могут (Рис.7.26).

Когда растения вырастают достаточно крупными, они образуют цветонос в самом центре розетки. Разумеется, это происходит в сухой сезон. Розетки в которой развился цветонос и плоды с семенами быстро отмирают и вокруг нее через некоторое время появляются вегетативные потомки - детки.

У всех бромелиевых этилен вызывает цветение в нехарактерное время года.

Такой уникальный механизм регуляции цветения можно объяснить исходя из следующей схемы событий. Если по какой-то причине растение потеряло вертикальную ориентацию розетки (ее наклонило животное или растение упало вместе с веткой) это событие может стать фатальным для растения: листья больше не могут быть резервуаром для воды.. Механическое воздействие параллелно вызывает образование этилена. При угрозе гибели обычно интенсифицируются процессы размножения. Таким образом, процесс образования этилена и необходимость размножения совпадают по времени. В этой ситуации этилен может служить сигналом к ускоренному зацветанию. Представители бромелиевых цветут и образуют одновременно боковые побеги (молодые розетки будут правильно ориентированы).

Хотя у ананасов вода не задерживается в розетках и они освоили наземный образ жизни, этилен все еще вызывает такой же ответ, какой был у эпифитных предков ананаса.

7.2.8. ДРУГИЕ ГОРМОНАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ.

7.2.8.1. Брассиностероиды.

Еще в 1930-1940-е годы была высказана догадка о том, что в растениях можно обнаружить стероидные регуляторы роста (по аналогии со стероидными гормонами животных). В многочисленных биотестах растения подвергали обработке тестостероном или эстрогеном, которые оказывали физиологическое действие. Например, эстрогены вызывали деления клеток в зародышах гороха, а с попомщью тестостерона удалось изменить пол у растений шпината (с женского на мужской) и хвоща (тестостерон вызывал дифференцировку архегониев на заростках). Однако, животные гормоны приходилось использовать в слишком высоких концентрациях (порядка 0.1%), и вряд ли можно было говорить о специфичности полученных результатов. Выделить физиологически активные стероиды из растений долгое время на удавалось.

Однако попытки выделить фитогромоны стероидной природы не прекращались. В 1979 г. Гроув с соавт. (Grove et al.) обнаружили, что масляный экстракт из пыльцы рапса (Brassica napus) стимулировал рост проростков в длину. Пришлось собрать около 10 кг пыльцы рапса и выделить оттуда всего 4 миллиграмма действующего вещества! Это оказалось стероидное соединение. (рис.7.27). От латинского названия рапса вещество было названо брассинолидом, а все похожие на него вещества с физиологической активностью называют брассиностероидами.

В дальнейшем число известных брассиностероидов стало быстро увеличиваться. Из настоящего каштана (Castanea sativa) был выделен кастастерон, из рогоза (Typha) - тифастерол, из чая (Thea) - теастерон, из катарантуса (Catharanthus) - катастерон и т.д. В настоящее время известно более 60 соединений с брассиностероидной активностью.

Биосинтез брассиностероидов идет по мевалонатному пути и включает общие для других терпеновых соединений стадии: изопентенилпирофосфат, геранилпирофосфат, фарнезилпирофосфат, сквален. Первым специфическим продуктом, из которого происходит биосинтез остальных брассиностероидов, является 24-метиленхолестерол превращающийся в кампестерин и кампестанол. От кампестанола расходятся две параллельные ветви биосинтеза, часто одновременно сосуществующие в растительных клетках: с ранним и с поздним окислением в С-6 положении. В итоге обе ветви биосинтеза заканчиваются брассинолидом - физиологически активным брассиностероидом.

Многие из ферментов биосинтеза брассиностероидов былы выделены и охарактеризованы благодаря мутациям, приводящим к карликовости, восстанавливаемой брассинолидом. Так, у арабидопсис мутации dwf 1 (от dwarf - карлик) и dwf 6 контролируют ранние этапы биосинтеза (до разделения на "ранний" и "поздний" путь биосинтеза) и обладают наиболее сильным фенотипическим проявлением - мутанты достигают не более, чем 1/30 высоты растений дикого типа. Мутация dwf 4 затрагивает более поздние этапы (после развилки в метаболизме), поэтому фенотипическое проявление карликовости мягче.

Брассиностероиды - высокогидрофобные молекулы. Тем не менее, при добавлении меченого брассинолида наблюдается транспорт по побегу в акропетальном направлении. Зарегистрировано образование гидрофильных гликозидов, сульфатов и ацилпроизводных брассиностероидов. Все эти формы могут транспортироваться по растению. Хотя ферменты биосинтеза брассиностероидов обнаружены почти во всех тканях растения, их концентрация наиболее высока в молодых тканях: этиолированных проростках, меристемах, флоральных примордиях, развивающейся пыльце. По-видимому, такое распределение брассиностероидов вызвано процессами дальнего и ближнего транспорта.

Ответы на брассиностероиды полностью подавлены у мутанта арабидопсиса bri 1 (brassinisteroid insensitive). Анализ аминокислотной последовательности соответствующего белка показал большую гомологию с трансмембранными рецепторными киназами: в белковом продукте BRI 1 есть лигандный, трансмембранный и протеин-киназный домены. Однако, до сих пор не показано, что брассиностероиды могут непосредственно связываться с этим белком, поэтому проблема рецептора брассиностеродидов пока еще не решена окончательно.

Брассиностероиды (как и ауксины) действовали на проростки, усиливая растяжение. Причем, если для ауксинов характерно быстрое растяжение, при котором активация Н+-помпы наблюдается через 10 мин с максимумом растяжения через 30-45 мин после воздействия, то для брассиностероидов типична более замедленная реакция, которая начинается через 30 мин после воздействия и продолжается в течение 1.5-2 часов. Если добавлять брассиностероиды совместно с ауксинами, то они вызывают гораздо больший эффект, чем при действии только ауксинов или только брассиностероидов.

На молекулярном уровне эффект растяжения по-видимому обусловлен активацией генов ксилоглюкан-эндотрансгликозилаз (КсЭТ). Активация таких генов показана в разных растительных объектах. Это ген TCH 4 арабидопсис, ген BRU 1 сои и др. Белки КсЭТ после биосинтеза направляются в клеточную стенку, и при взаимодействии с ксилоглюканами размягчают матрикс клеточной стенки. Таким образом, если ауксины запускают процесс растяжения, то брассиностероиды важны для его длительного поддержания.

Связанные с этим явлением эффекты - частичная и полная мужская стерильность при недостаточности брассиностероидов. У многих растений, мутантных по генам биосинтеза брассиностероидов, тычиночные нити не достигают нужной длины, достаточной для самоопыления. Но даже в том случае, когда пыльцевые зерна попадают на поверхность рыльца, рост пыльцевой трубки существенно замедлен.

Брассиностероиды взаимодействуют не только с ауксинами, но и с гиббереллинами, усиливая растяжение клеток.

При повреждении биосинтеза брассиностероидов проростки заметно уменьшаются в длине. Кроме того, без брассиностероидов растения неспособны удерживать апикальную петельку в согнутом состоянии, семядоли преждевременно раскрываются, биосинтез хлорофилла идет в темноте. Все эти реакции не характерны для растений, выращенных без света. Поэтому обсуждают участие брассиностероидов при передаче световых сигналов (см. ниже) и "перекрестный разговор" путей фоторецепции и брассиностероидов.

Интересно, что брассиностероиды регулируют процессы клеточной дифференцировки. У мутантов bri 1 нарушено формирование столбчатого мезофилла. Кроме того, уменьшено количество проводящих элементов ксилемы. Как и в случае растяжения, акусины запускают процесс дифференцировки ксилемных элементов. В этом процессе можно выделить три стадии: 1) первичная экспрессия генов, приводящая к накоплению фенилаланин-аммикалиазы (ФАЛ) и гидроскилазы коричной кислоты(ГКК); 2) остановка экспрессии этих генов и переориентация актиновых филаментов; 3) вторичный запуск синтеза ФАЛ и ГКК с дальнейшей сильной лигнификацией и программированной гибелью клеток. Оказалось, что переход от стадии 2 к стадии 3 невозможен без брассиностероидов.

Однако, действие на корневую систему брассиностероидов и ауксинов заметно различается: если ауксины стимулируют образование боковых корней, то брассиностероиды ингибируют их образование.

В больших дозах брасииностероиды сдерживают рост и повышают устойчивость к неблагоприятным внешним факторам (перегреву, заморозкам, засухе, инфекции). Этими эффектами пользуются в сельском хозяйстве. Препарат "Эпин", который содержит эпибрассинолид, помогает вырастить более крепкие и здоровые растения.

7.2.8.2. Жасминовая кислота.

Впервые жасминовая кислота (жасмонат) была выделена из эфирного масла жасмина крупноцветкового, где она присутствует в виде летучего эфира - метилжасмоната, еще в 1962 году (рис.7.28). Это достижение фитохимиков осталось бы незамеченным, если бы в 1980-х годах не было обнаружено физиологическое действие этого вещества на растения. Жасмонат и метилжасмонат ингибировали рост проростков, прорастание пыльцевых трубок, образование каллуса, способствовали закрытию устьиц, стимулировали образование клубней и луковиц, влияли на цитоскелет, переориентируя его.

Биосинтез жасминовой кислоты начинается с гидролиза фосфолипидов при активации фосфолипазы А (см. выше). Далее освободившаяся из липидов линоленовая кислота под действием липоксигеназы превращается в перекисное производное и под действием соответствующих ферментов формирует пятиленный цикл, служащий основой для формирования жасмоната. После синтеза жасминовая кислота может метилироваться, переходя в физиологически активный метилжасмонат, но возможно и гликозилирование, и тогда жасмонат переходит в неактивную (запасную) форму.

У арабидопсис обнаружены два гена, ответственные за синтез липоксигеназы: один из них (ATLOX 1) экпрессируется в листьях, корнях, проростках при нормальном развитии и не зависит от внешних условий, тогда как уровень экспрессии второго (ATLOX 2) повышается в растениях в ответ на стресс (механическое повреждение и патогенез). Интересно, что жасмонаты повышают активность липоксигеназы, стимулируя свой собственный биосинтез.

Кроме жасминовой кислоты в растениях обнаружены другие соединения, близкие по структуре и выполняющие те же функции, что и жасмонаты. Это кукурбиновая кислота из тыквы и тубероновая кислота из картофеля. У животных очень близкими по структуре и биосинтезу являются простагландины.

По-видимому, жасмонаты участвуют в двух приниципиально различных регуляторных процессах: (1) сдерживают вегетативный рост и способствуют переходу в состояние покоя и (2) усиливают реакции иммунного ответа.

На молекулярном уровне действие жасмонатов проявлялось как синтез новых белков, многие из которых синтезируются и в ответ на обработку абсцизинами. Во многих ответах АБК и жасмонаты вели себя как синергисты. Так, при воздействии жасмонатами в течение 24 часов и менее подавляется биосинтез белков, связанных с фотосинтезом (например, РБФК), разрушается хлорофилл. За общее подавление биосинтеза белка отвечает (Jasmonate-induced protein массой 60кДа). Появление Jip60 в клетках вызывает разрушение полисом, общее подавление трансляции. Обработка клеток 10-5М жасминовой кислотой в течение 48 часов и боее вызывает их гибель.

При воздействии на зародыш жасмонаты вызывают синтез белков позднего эмбрионального развития - Late Embryogenesis Abundant proteins (Lea). К уникальной физиологической реакции, запускаемой жасмонатами, относится синтез вегетативных запасных белков - Vegetative Storage Proteins (VSP). Эти белки у некоторых растений совпадают по структуре с запасными белками семян, но у других - заметно отличаются. Причем синтез VSP наблюдается только в условиях хорошего снабжения азотом, а при голодании VSP не откладываются. По-видимому, с помощью жасмонатов растение создает новые временные депо нерастворимых азотных соединений, регулируют донорно-акцепторпные отношения в азотном метаболизме.

Параллельно с VSP и Lea наблюдается синтез белков, характерных для водного дефицита (перекрывающаяся реакция с АБК). Появление этих белков в тканях сопровождается ослаблением флоэмного тока, закрытием устьиц.

Если в растениях ингибировать работу липоксигеназы, жасминовая кислота не образуется. Одним из важных следствий этого нарушения является потеря иммунитета к фитопатогенам.

В иммунном ответе жасминовая кислота вызывает синтез экстенсинов (происходит упрочнение клеточной стенки и замедление роста, что неблагоприятно для патогенов), синтез белков-тионинов (небольшие богатые цистеином белки, связывающиеся с мембранными структурами патогена с токсическим эффектом), синтез фитоалексинов (индуцибельных защитных соединений), фенолов (в частности - салициловой кислоты) и короткого пептида системина (см.далее).

Этерификация жасминовой кислоты придает ей летучесть. Предполагают, что метилжасмонат (как и этилен) через воздушную фазу способен воздействовать на отдаленные ткани растения и на соседние растения, информируя их о нападении патогенов. Растительное сообщество заранее узнает об инфекции и принимает защитные меры.

7.2.8.3. Салициловая кислота.

Салициловая кислота впервые была выделена из ивы (Salix) еще в XIX столетии, и с тех пор нашла в виде многочисленных производных широкое применение как лекарственный препарат. (Самое известное производное салицилата - аспирин или ацетилсалициловая кислота).

Биосинтез салицилата в растениях начинается с активизации фенилаланин-аммиаклиазы (ФАЛ). При этом фенилалланин превращается в транс-коричную кислоту, которая в результате последовательных окислений дает бензойную кислоту - непосредственную предшественницу салицилата. В конечном счете уровень салицилата зависит от активности гидроксилазы бензойной кислоты. Салицилат может депонироваться в виде неактивного глюкозида.

О физиологическом эффекте салицилатов в растениях стали говорить только в 1980-е годы, когда было подробно изучено явление термогенеза у ароидных. Классический объект исследования - Sauromatum guttatum - субтропическое растение, которое имеет типичную для ароидных стратегию опыления (рис.7.29). Женские генеративные органы собраны на початке у основания. В этом месте базальная часть покрывала образует камеру. Выше на початке расположены щетинки, а покрывало сужено (эта часть початка стерильна). Выше располагаются тычинки (мужская генеративная зона. Початок венчает утолщенный стерильный придаток. Покрывало же отогнуто и образует пестро раскрашенную посадочную площадку для опылителей.

Первый термогенный эпизод начинается около полуночи с нагревания верхнего стерильного придатка и длится приблизительно 7 часов. Перепад температур между початком и окружающей средой достигает 12 градусов. В воздух испаряются вещества, имитирующие запах гниющего органического вещества. На запах слетаются потенциальные опылители, которые по покрывалу забираются в камеру с пестиками. Обратному выходу препятствуют щетинки между женской и мужской частью початка.

Насекомые вынуждены остаться на день в базальной камере, а с вечера их ожидает второй (14-часовой) термогенный эпизод: разогревается нижняя часть початка. Разность температур со средой достигает только 10 градусов. Нагрев стимулирует активность насекомых. В это же время раскрываются пыльники и осыпают насекомых пыльцой сверху. Щетинки усыхают и опылители, вымазанные пыльцой, оказываются на свободе.

Термогенные эпизоды распределены в течение суток так, чтобы начало первого у одних растений популяции совпадает с освобождением насекомых после второго у других.

Как оказалось, в предшествующий цветению день в стерильном верхнем придатке идет накопление салициловой кислоты, которое начинается в 12 и достигает максимума в 17 часов. Концентрация салицилата повышается в 100 раз. В середине ночи уровень салицилата повышается также и в нижней части початка. После термогенеза уровень салицилата возвращается к исходному (около 10-15 mmol).

Термогенез можно вызвать и во "внеурочное" время. Изолированный придаток початка сохраняет чувствительность к экзогенной салициловой кислоте и отвечает повышением температуры. Интересно, что в темноте для индукции термогенеза необходимо добавить больше салицилата, чем на свету. (По-видимому, Sauromatum не склонен к термогенезу, пока соцветие находится в почве и не доступно для опылителей).

По-видимому, салициловая кислота активизирует геном и запускает синтез м-РНК для альтернативной оксидазы, а вскоре в термогенных тканях накапливается и сам белок (между воздействием салицилата и повышением температуры проходит несколько часов). Кроме того, под действием салициловой кислоты в придатке повышается содержание летучих веществ, привлекающих насекомых.

Вряд ли салициловая кислота является непосредственным триггером потока электронов с цитохромоксидазного на альтернативный путь, поскольку повышение ее уровня зарегистрировано не у всех термогенных видов растений. Например, при развитии стробила Cycas (голосеменные), цветка Victoria regia или соцветия у пальм температура также может повышаться за счет работы альтернативной оксидазы, однако у этих растений термогенез не связан с повышением уровня салицилата.

Повышенный уровень салицилата в листьях риса (Oryza sativa) не свидетельствует о том, что рис способен к термогенезу. Таким образом, регуляция термогенеза салициловой кислотой относится к частной физиологии семейства ароидных и некоторых других растений. (Например, у видов ряски добавление салициловой кислоты стимулирует цветение).

Уровень салициловой кислоты возрастает в ответ на внедрение патогенов. Впервые это было показано при инфицировании табака вирусом табачной мозаики в 1990 г. Устойчивость к вирусу можно было повысить, обрабатывая растения салициловой кислотой. Интересно, что даже при простом механическом повреждении активизируется начальный фермент биосинтеза салицилата - ФАЛ (см. выше). Если растение не может синтезировать салицилат (например, в результате блокирования гена ФАЛ или гена гидроксилазы бензойной кислоты), у него снижается иммунная реакция ко многим патогенам.

В ответ на обработку растений салициловой кислотой начинается синтез PR-белков (pathogenesis related proteins). Их делят на несколько классов. Белки PR-1 класса отвечают за проявление системной устойчивости (т.е. устойчивости во всем растении далеко от непосредственного места контакта с патогеном). PR-1 белки токсичны для многих грибов, хотя механизм токсического действия пока еще не достаточно изучен. PR-2 белки оказались b-1,3-глюканазами, расщепляющими глюканы клеточной стенки растений и некоторых грибов на более короткие фрагменты. Фрагменты глюканов также способны вызывать иммунную реакцию растительных клеток. PR-3 класс белков - хитиназы, которые расщепляют хитин клеточных стенок грибов. Появление низкомолекулярных продуктов деградации хитина является сигналом о том, что в место повреждения попали гифы гриба. К PR-4 классу относят гевеин-подобные белки, которые отвечают за "склеивание" латекса при повреждениях. Заметим, что эти физиологические ответы частично перекрываются с ответами на этилен и жасминовую кислоту.

Салициловая кислота вызывает синтез ФАЛ, и тем самым усиливает собственный биосинтез. Кроме того, салициловая кислота можент связываться с некоторыми Fe-содержащими белками (например, с каталазой). При взаимодействии с салицилатом активность каталазы падает, концентрация перекиси водорода и других активных форм кислорода растет. К этому же эффекту приводит взаимодействие салицилата с аскорбат-оксидазой. Повышение концентрации активных форм кислорода стимулирует образование новых порций салициловой кислоты, что приводит к усилению эффекта. В крайнем выражении обработка салициловой кислотой может вызвать гибель клеток (запускается реакции сверхчувствительности).

Таким образом, салицилат, в отличие от других гормонов, не только регулирует процессы через соответствующие рецепторные системы, но и непосредственно участвует в аллостерической регуляции работы ряда ферментов. Т.е. для развития физиологического ответа необходима более высокая концентрация салицилата (до 10-3 - 10-5 моль/л). Такие высокие концентрации не характерны для "типичных" гомонов, поэтому часто дискутируют о том, стоит ли салициловую кислоту включать в список растительных гормонов.

7.2.8.4. Олигосахарины.

Роль коротких углеводных молекул - олигосахаридов - в регуляции физиологических процессов у растений обсуждают с конца 1980-х годов, когда было обнаружено, что продукты деградации клеточной стенки паразитического гриба фитофторы могут вызвать специфичную иммунную реакцию у растений. Даже небольших перестроек углеводного скелета было достаточно, чтобы этот эффект исчез. Таким образом, среди олигосахаридов большинство не обладало активностью в проведенных тестах. Те олигосахариды, которые вызывали физиологический эффект, были названы олигосахаринами.

Таким образом, каждый олигосахарин является олигосахаридом, однако не каждый олигосахарид - олигосахарин.

Олигосахарины образуются как продукты расщепления полисахаридов клеточной стенки. Фактором, вызывающим расщепление, могут быть как собственные ферменты растительных клеток, так и ферменты грибов или бактерий. В состав олигосахаринов могут входить ксилоза, рамноза, галактоза. Кроме того, к олигосахаринам часто относят продукты деградации пектина, содержащие остатки уроновых кислот. Иногда в состав олигосахаринов входит многоатомный спирт инозит, остаток которого происходит из гликолипидов мембран. Короткие фрагменты хитина, образующиеся под действием растительных хитиназ при грибной инфекции также являются олигосахаринами, хотя они происходят из чужеродного объекта.

Было обнаружено, что олигосахаридная фракция суспензионной культуры клена стимулирует деления клеток у многих объектов в культуре in vitro, что говорит о том, что в экстрактах присутствуют олигосахарины.

Еще один физиологический эффект, в котором участвуют фрагменты клеточной стенки растений - созревание плодов. При этом ферменты, разрушающие разнообразные гликаны клеточной стенки, высвобождают активные олигосахарины, которые способны стимулировать дальнейшее созревание. При созревании плодов важную роль играют пектолитические ферменты и образующиеся фрагменты пектина.

Специфические олигосахарины используются как сигнальные молекулы при узнавании симбионтов в системе Rhizobium - растение-хозяин. Без обмена олигосахаринами клубеньки бобовых растений не образуются.

7.2.8.5. Короткие пептиды.

В настоящее время выделены и охарактеризованы некоторые короткие пептиды, которые играют важную сигнальную функцию у растений. Как правило, они синтезируются в клетках в виде более крупныз белков-предшественников, а затем в результате протеолитических реакций происходит "созревание" коротких пептидов. Они выходят из клетки в апопласт и оказывают физиологическое действие на другие клетки.

Один из первых коротких пептидов с сигнальной функцией был выделен из томатов. Он отвечал за системный ответ на механическое повреждение и проникновение патогенов в растение: индуцировал синтез ингибиторов протеиназ и фитоалексинов. В результате иммунный ответ наблюдается не только в месте повреждения, но и все растение в целом становится устойчивым к инфекции (системная устойчивость). Отвечающий за системную устойчивость короткий пептид, содержащий 18 аминокислот, был назван системином. Контроль за биосинтезом системина осуществляет жасминовая кислота. Системин синтезируется сначала в виде предшественника длиной в 200 аминокислотных остатков. У томатов был также обнаружен рецептор, связывающийся с системином - белок размером 160 кДа. Системин оказался специфическим для томатов и картофеля, но не вызывал системного ответа у табака. В дальнейшем из табака был выделен системин, не похожий на томатный.

Из суспензионной культуры аспарагуса был выделен еще более короткий пептид (всего 4-5 аминокислот), в состав которого входил сульфатированный тирозин. Добавление этого пептида вызывало увеличение скорости деления клеток in vitro, повышало митотический индекс. Этот пептид был назван фитосульфокином. Фитосульфокин обнаруживается в местах активного деления клеток, способствуя органогенезу (образованию листьев, боковых корней и т.д.). Фитосульфокин, по-видимому, достаточно универсальный короткий пептид - он вызывал деление клеток не только у аспарагуса, но и у риса и других не родственных растений.

Другие обнаруженные короткие пептиды регулируют достаточно специфичные функции в растениях. Так, пептид CLAVATA 3, содержащий 78 аминокислот, синтезируется в верхних слоях центральной зоны меристемы (делящихся клетках). Он необходим для регуляции размера апикальной меристемы побега у арабидопсис. Пептид CLAVATA 3 связывается с белком-рецептором CLAVATA 1, причем рецептор сосредоточен в покоящемся центре меристемы.(рис.7.30).

Короткий пептид CLAVATA 3 служит сигналом о количестве делящихся клеток в центральной зоне меристемы: высокая концентрация "говорит" покоящемуся центру о том, что делящихся клеток много, а низкая - что их мало. Покоящийся центр играет важную регуляторную роль, посылая обратно наверх сигнальные молекулы, стимулирующие (или ингибирующие) клеточные деления.

Интенсивное взаимодействие короткого пептида CLAVATA 3 с CLAVATA 1 означает, что число делящихся клеток чрезмерно велико, и из покоящегося центра в центральную зону меристемы направляется сигнал, уменьшающий число делящихся клеток. Вместе с этим падает и концентрация короткого пепида CLAVATA 3, а это в свою очередь приводит к тому, что покоящийся центр стимулирует деления клеток в центральной зоне. Описанный механизм обратной связи с участием CLAVATA 3 и его рецептора CLAVATA 1 поддерживает объем меристемы на определенном уровне. При мутации как в гене рецептора (clv1), так и в гене короткого пептида (clv3), меристема становится очень крупной (число клеток может оказаться в 1000 раз больше, чем у дикого типа). Это приводит к фасциации - стебель становится плоским, расположение листьев нарушается.

Короткий пептид SCR из 53-57 аминокислот выделяется прорастающим пыльцевым зерном у капусты. Для каждой линии капусты характерен свой особый вариант SCR-пептида. Рецепторы к SCR-пептиду находится в тканях рыльца, и при узнавании развитие пыльцевой трубки останавливается. Таким способом капуста избегает самоопыления.

7.3.1.1.Основные принципы фоторецепции.

Чтобы растение почувствовало квант света, необходимы молекулы, поглощающий в данной области спектра (пигменты). Простого акта поглощения недостаточно, нужно преобразовать его в сигнал, т.е. квант должен вызвать фотохимическую реакцию. Как известно, такие реакции осуществляются в реакционных центрах фотосистем. Казалось бы, можно использовать хлорофилл фотосистем и для добычи энергии, и для рецепции световых сигналов. Однако, потоки энергии через фотосистемы очень велики, т.е. для того, чтобы получить сигнал нужно очень много квантов. Чувствительность световой стадии фотосинтеза мала, тем не менее световая стадия участвует в довольно грубой метаболической регуляции.

Для тонкой фоторецепции можно применить те же принципы, что и для гормональной регуляции. Воспринимает свет отдельный фоторецепторный комплекс, который связан с системой вторичных мессенджеров, усиливающих полученный световой сигнал. В лучших случаях можно вызвать ответ на освещение от 0.1 до 1 мкмоль квантов на кв.м. (ответ на свехрнизкую интенсивность света - Very-Low-Fluence Response). Ответ на низкую интенсивность лежит между 1 и 1000 мкмоль квантов на кв.м (Low-Fluence Response), а если для ответа необходимо более, чем 1000 мкмоль на кв.м, то ответ считают высокоэнергетическим (High-Irradiance Response).

Если энергия кванта в реакционном центре максимально полно преобразуется в энергию разделенных зарядов ( с КПД порядка 70-90%), то КПД фоторецепторов едва ли превышает 30%. Энергия в фотохимической реакции на рецепторной молекуле может преобразоваться двумя путями (в зависимости от типа рецептора): 1) в изменение конформации и запуск каскада фосфорилирования ( для рецептора красного света) 2) в электрохимический потенциал и запуск реакций восстановления вторичных мессенджеров (для рецептора синего света).

Таким образом, световые реакции фотосинтеза и фоторецепторы преобразуют энергию квантов света в энергию химических связей с помощью улавливающих свет пигментов. Но при этом для световых реакций фотосинтеза характерны: высокий КПД энергопреобразования - мало меняющаяся конформация белковых комплексов - низкая чувствительность -локализация в мембранах хлоропластов. Фоторецепторы обладают низким КПД энергопреобразования - сильно изменяющейся конформацией белковых комплексов - высокой чувствительностью - локализация в ядре и в цитоплазме.

7.3.1.2. Физиологически важные области спектра. Фитохром и криптохром.

Поскольку растения заметно зависят от фотосинтеза, для регуляции процессов развития и дифференцировки они должны правильно оценивать количество и качество света. Заметим, что согласно физическим принципам есть предел энергии кванта для преобразования в световых реакциях фотосинтеза, связанный обратно пропорциональной зависимостью с предельной длиной волны. Фотосистема I способна поглощать и преобразовывать кванты с длиной волны не более 700 нм, а фотосистема II - не более 680 нм. Если зеленые растения освещать квантами с длиной волны более, чем 700 нм, это приведет к гибели растения: в таких квантах недостаточно энергии для протекания реакций световой стадии фотосинтеза. Оптимальными для фотосинтеза будут длины волн в красной области в диапазоне 600-700 нм (они используются с наименьшими потерями). Таким образом, красные лучи можно разбить на две резко отличающиеся области - собственно красную, пригодную для фотосинтеза (до 700 нм) и дальнюю красную, для фотосинтеза не пригодную (более 700 нм). В принципе дальний красный свет и темнота должны приводить к одним и тем же реакциям - это сигнал того, что условий для успешного фотосинтеза нет.

Для оценки качества и количества красной области падающего света у растений есть особый пигмент - фитохромобилин, аналогичный фикобилинам водорослей. Комплекс фитохромобилина с белком называют фитохромом. Принцип работы фитохромной системы следующий. Фитохром может пребывать в двух основных состояниях, характеризуемых максимумом поглощения: Фкр.(660) и Фдкр.(730) (рис.7.31). Красная форма поглощает свет и превращается при этом в дальнюю красную форму. Переход Фкр. в Фдкр. под действием света с длиной волны 660 нм сигнализирует растению о том, что свет пригоден для фотосинтеза. Дальняя красная форма фитохрома может переходить в красную как при воздействии света с длиной волны 730 нм, так и самопроизвольно в темноте (самопроизвольный переход медленнее). Переход Фдкр. в Фкр - это сигнал о том, что условий для фотосинтеза нет (либо кванты света несут недостаточно энергии, либо света нет совсем). Таким образом, фитохромная система похожа на выключатель в электрической сети: если свет есть, то система ожидает сигнала о выключении, если света нет - система ожидает, чтобы его включили. В полной темноте чувствительность растений к свету обостряется: содержание определенных форм фитохрома заметно увеличивается. Как только этиолированные растения переносят на свет, содержание фитохрома быстро падает (но полностью фитохром не исчезает). Растение модулирует чувствительность к свету в зависимости от внешних условий.

На основании сигналов, поступающих от фитохромной системы, растение принимает глобальные решения: готовиться к фотосинтезу или все запасы органических веществ пустить на рост, приступить ли к цветению или к листопаду, изменить ли стратегию роста, прорастать семенам или дождаться более благоприятных условий освещения и т.д.

Вторая светочувствительная система связана с синей областью спектра. Там сосредоточены максимумы поглощения хлорофиллов, каротиноидов, флавинов и др. Таким образом, синяя область также физиологически важна. У растений синий свет воспринимают разнообразные рецепторы: криптохромы, фототропин. В отличие от красной части спектра, энергия синих квантов даже избыточна для фотосинтеза. Поэтому фоторецепторы синего света работают иначе: здесь нельзя выделить двух переключающихся состояний. Поступающие сигналы помогают принять локальные решения: определить направление максимальной освещенности при фототропизме, открыть устьица и т.д.

В последнее время появляются данные о том, что у растений есть системы, чувствующие ультрафиолетовые лучи, однако механизмы ответов на ультрафиолет пока еще недостаточно изучены.

7.3.2.1. История открытия фитохрома.

В 1950-х годах американские исследователи Г.А.Бортвик, С.Б.Хендрикс и М.У.Паркер изучали прорастание семян салата 'Grand Rapids'. В полной темноте семена не прорастали даже если растениям были предоставлены влага и приемлемые температурные условия. Достаточно было лишь на несколько секунд осветить набухшие семена, и они прорастали. Набухшие семена салата были настолько чувствительными к свету, что приходилось работать с ними как с фотоматериалами, обертывая опытные образцы черной фотобумагой или светонепроницаемой фольгой.

Бортвик и др. подробно получили спектр этой физиологической реакции, построив график зависимости % проросших семян от длины волны падающих квантов света.

Кроме того, они обнаружили, что освещение дальним красным светом с длиной волны 730 нм обычно тормозит реакцию прорастания. Последовательное освещение красным (660) - дальним красным (730) - красным (660 нм) приводило к прорастанию семян. Но если последнюю вспышку света снова сделать дальней красной (730), то прорастание ингибировалось. Открытое явление получило название К/ДК- обратимости. Оно заключается в том, что ответ на низкую интенсивность освещения можно обратить: если действовал красный свет, ответ можно ингибировать дальним красным, и наоборот. Растения дают тот ответ, который можно вызвать последней вспышкой света.

Была выдвинута гипотеза, что в семенах присутствует пигмент, со спектральными свойствами отличными от хлорофилла, который обладает свойством "переключаться" при воздействии внешнего стимула: красного или дальнего красного света. Гипотетический пигмент был назван фитохромом (phyton - растение, chromos - краска, пигмент).

Спектр физиологической реакции прорастания семян позволил начать поиски и выделение пигментов, обладающих таким же спектром. Когда из растений выделяли очередной пигмент (или окрашенную фракцию), его спектр сравнивали с полученным физиологическим спектром и проверяли, годится ли пигмент на роль фитохрома (рис.7.32). Эта стратегия поиска увенчалась успехом: всего через 7 лет У.Л.Батлер (под руководством Хендрикса) выделил фитохром в чистом виде и охарактеризовал его.

7.3.2.2. Фотоконверсия фитохрома. Фитохром А и фитохром В.

Фитохром оказался димерным белком, содержащим ковалентно связанную хромофорную группировку из четырех пиррольных колец (А, В, С и D), соединенных метиновыми мостиками. Молекула хромофора синтезируется сначала как замкнутая тетрапиррольная структура (гем), а затем происходит размыкание и встраивание в белок (рис.7.33).

Как и ожидалось, хромофорная группа фитохрома (фитохромобилин) существует в двух основных спектральных формах, которые могли переходить друг в друга под действием квантов света. Форма Ф660 (красная) улавливала красные кванты света и переходила в Ф730 (дальнюю красную). Это объясняло эффект К/ДК-обратимости: при освещении красным светом форма Ф660 исчезала (форма в Ф730 накапливалась). Если после этого дать свет с длиной волны 730, форма Ф730 исчезнет (перейдет в Ф660). Последовательные вспышки приведут к тому, что сначала весь фитохром переходит в одну форму, а потом в другую и т. д. Для физиологической реакции важна именно последняя форма фитохрома, т. е. последняя короткая вспышка, которой освещали растение.

Дальнейшие исследования показали, что главным событием, приводящим к превращению форм фмтохрома, является поворот кольца D относительно кольца C (цис-транс изомеризация в метиновом мостике, соединяющем эти кольца). Эта первичная реакция приводит к деформации белкового кармана и изменению структуры димера вцелом. Первичная форма возбужденной хромофорной группировки оказывается недостаточно стабильной и самопроизвольно через ряд этапов переходит в более стабильные формы, причем промежуточные формы для перехода из Ф660 в Ф730 отличаются от промежуточных форм для обратного перехода (см. рис.7.31).

В 1990-х годах были изучены гены, отвечающие за биосинтез белкового компонента фитохрома. Оказалось, что у большинства объектов преобладающими ялвяются фитохром А и фитохром В, отличающиеся не только свойствами белковой части, но и спектром поглощения (эффект различного белкового окружения хромофора). Кроме двух преобладающих фитохромов, показано, что в растениях имеются минорные формы: фитохром С, фитохром D и фитохром E. Роль минорных форм фитохрома в регуляции ответа на свет еще недостаточно изучена.

При всем различии белковой части фитохромов, в белковой молекуле можно выделить высококонсервативный фитохромобилин-связывающий домен, расположенный ближе к N-концу белка. При повреждении N-концевого участка хромофор не может встроиться в молекулу фитохрома. С-конец содержит участки, похожие на бактериальные гистидин-киназы (обычно имеется два гистидин-киназных домена). По-видимому, фитохром обладает киназной активностью, которая зависит от состояния хромофорной группировки. Кроме того, фитохром может фосфорилироваться, меняя свою активность. Более того, предполагают, что фитохром может фосфорилировать сам себя.

Фитохром А обладает более широкими пиками поглощения, а фитохром В - более узкими. Так, например, в спектре Ф(А)660 несмотря на то, что максимум поглощения равен 660, широкое плечо выходит и в дальнюю красную область спектра. С точки зрения рецепции света это означает, что фитохром А можно перевести в форму Ф(А)730 не только облучением квантами с длиной волны 660, но и квантами из дальней красной области (730). Правда, ДК-квантов для этого перехода нужно намного больше, чем квантов, соответствующих максимуму поглощения. Следовательно, растение должно воспринимает одинаково как низкие интенсивности красного света (660), так и высокие интенсивности дальнего красного (730). Фитохром А отвечает за ответы на ДК-свет высокой интенсивности (HIR).

В спектре поглощения фитохрома В пики более узкие, у формы Ф(В)660 плечо не заходит в дальнюю красную область. Это означает, что Ф(В)660 нельзя перевести в форму Ф(В)730 с помощью интенсивного дальнего красного света. Фитохром В отвечает за ответы на низкую интенсивность и обеспечивает при этом эффект К/ДК-обратимости.

Наличие двух фитохромов, заметно отличающихся по спектральным характеристикам, позволяет растению различать (1) полную темноту, (2) интенсивный ДК-свет и (3) хорошее освещение, пригодное для фотосинтеза.

У растений, выращенных в полной темноте, повышено содержание фитохрома А - именно этот фитохром отвечает за восприятие света любого качества - растение "ищет" свет, и "старается" повысить чувствительность к нему. При переносе на свет (независимо от того, К или ДК), концентрация фитохрома А начинает быстро снижаться до уровня, характерного для выросших на свету растений. (У этиолированных растений иногда выделяют пул фитохрома А', который будет разрушен при получении светового сигнала достаточной интенсивности, и собственно пул фитохрома А, который сохраняется на свету).

Самыми ранними событиями, которые удается зарегистрировать при воздействии на клетки красным или дальним красным светом, являются К/ДК-обратимые изменения мембранного потенциала. Эти явления были впервые обнаружены на зеленых водорослях и часто сопровождаются быстрым изменением положения хроматофора.

В качестве возможных вторичных мессенджеров фитохромного сигнала рассматривают G-белки, которые формируют гетеротримеры, циклическую ГМФ и кальций.

Эксперименты с растениями, у которых ген фитохрома соединен с геном зеленого флуоресцирующего белка (Green Fluorescent Protein) показали, что в зависимости от освещения фитохром может находиться либо в цитоплазме, либо в ядре. Как правило, если растения выращены в темноте, то фитохром находится в цитоплазме. Скорость поступления и световые стимулы, необходимые для перемещения фитохрома А и фитохрома В в ядро несколько отличаются. Так, для перемещения фитохрома В в ядро необходим красный свет. Это означает, что в конформации Ф(В)650 не может пересекать ядерную мембрану, а после фотоконверсии в форму Ф(В)730 в течение примерно 30 минут аккумулируется в ядре. Фитохром А переходит в ядро как при освещении как красным, так и дальним красным светом высокой интенсивности.

Интересно, что на С-концевом участке у фитохромов есть два PAS-домена, которые встречаются в транскрипционных факторах. PAS-домены важны как для ДНК-белковых, так и для белок-белковых взаимодействий. Повреждение хотя бы одного из PAS-доменов приводит к нарушению функционирования фитохрома. Это означает, что проникая в ядро, фитохром может непосредственно участвовать в регуляции транскрипции, связываясь в комплексы с различными транскрипционными факторами.

7.3.2.3. Этиоляция и деэтиоляция.

Биосинтез хлорофилла у цветковых растений зависит от света (см. главу ┘). Это означает, что в отсутствие условий для фотосинтеза (темнота или дальняя красная область) хлорофилл не может нормально синтезироваться, не происходит сборка светособирающих комплексов, пластида имеет агранальную структуру. Растения, выросшие в темноте, отличаются от обычных отсутствием зеленой окраски (они становятся белыми или желтоватыми), междоузлия удлинены, а листовые пластинки часто превращаются в чешуи. Этот процесс "обесцвечивания" при недостатке света называют этиоляцией. Этиоляция - вполне адекватная реакция на недостаток света: фотосинтетическая функция сведена к минимуму, все силы уходят на рост растяжением (самая экономичная форма роста, требующая много воды и минимум пластических веществ). Заметим, что растение экономит органические вещества, отказавшись от создания листовых пластинок (рис.7.34).

Отсутствие света при прорастании является сигналом о том, что растение по всей вероятности находится под землей. Поэтому этиолированный проросток формирует апикальную петельку, защищающую меристему от возможных механических воздействий. В отличие от действия этилена, гипокотиль при этом интенсивно растет.

В результате усиленного роста по направлению к свету растение может оказаться в зоне с благоприятным освещением. Как только оно получит сигнал о том, что свет пригоден для фотосинтеза, рост междоузлий ингибируется, новые листья меняют морфологию (у них появляется развитая пластинка), синтезируется хлорофилл и пластиды превращаются в хлоропласты, у проростков разгибается апикальная петелька, а рост гипокотиля тормозится. Все эти процессы называют деэтиоляцией.

На молекулярном уровне деэтиоляция характеризуется не только синтезом хлорофилла, но и экспрессией генов белков светособирающего комплекса (хлорофилл а/b -связывающего белка) и ферредоксин-НАДФ+-оксидоредуктазы, участвующей в переносе электронов в ЭТЦ световой стадии фотосинтеза. Благодаря гидрофобным свойствам хлорофилл а/b-связывающего белка тилакоиды, содержащие ССК собираются в граны, что видно на электронно-микроскопическом уровне при деэтиоляции.

7.3.2.4. Избегание тени.

Ситуация, когда растение попадает на интенсивный дальний красный свет, заметно отличается от полной темноты. С одной стороны, дальний красный свет (как и просто красный) вызывает переход фитохрома А в форму Ф(А)730, а этот переход означает, что растение почувствовало свет. С другой стороны, дальним красным светом невозможно перевести Ф(В)660 в Ф(В)730. Растение получает два противоречащих друг другу сигнала: от фитохрома А - о том, что свет есть, а от фитохрома В - о том, что этот свет не пригоден для фотосинтеза. Ответ зависит от "интегрирования" этих взаимно противоположных сигналов.

В природе интенсивный свет, обогащенный дальним красным, бывает под пологом других растений. В нижних ярусах довольно много дальнего красного, тогда как красные кванты поглощают листья более высоких растений в процессе фотосинтеза. Много дальнего красного - это сигнал о том, что рядом есть более высокие соседи. Но в то же время есть надежда, что где-то рядом обнаружится свободный (еще не занятый другими растениями) участок.

Если растение получило положительный сигнал от фитохрома А и отрицательный - от фитохрома В, развивается "синдром избегания тени". Для этого синдрома характерны черты как этиоляции, так и нормального развития на свету. Хлорофилл в принципе синтезируется, но его содержание меньше. Листовые пластинки становятся больше, но все еще не такие крупные, как при полном освещении. Удлинение междоузлий менее интенсивно, чем в темноте, но все же скорость роста выше, чем на прямом солнце.

В результате образуются длинные побеги со слабо развитыми механическими тканями. Они легко полегают, при этом меристема побега оказывается на новом месте. Происходит новая оценка ситуации, если по-прежнему в спектре много дальнего красного и мало красного, снова развивается побег с "синдромом избегания тени".

Полное развитие фотосинтетического аппарата возможно только в том случае, когда на растение падает много красного света (и он не обогащен дальним красным). Тогда и от фитохрома А, и от фитохрома В приходят одинаковые сигналы о том, что свет есть и он пригоден для фотосинтеза.

Образно можно назвать фитохром А "оптимистическим" рецептором, а фитохром В - "критиком" или "пессимистом".

Интересно, что поведение в тени растений заметно отличается у мутантов по фитохрому А и В. Если в растении поврежден фитохрома В, оно развивает нормальный "синдром избегания тени" и в конечном итоге выживает. Однако, если взять мутант по фитохрому А, даже при интенсивном дальнем красном освещении растения продолжают сильно вытягиваться и погибают. Деэтиоляции не наступает.

Этот пример показывает, что отсутствие "оптимизма" бывает очень опасным, и даже смертельным при определенных внешних обстоятельствах. Растению нужно не только уметь правильно и критически оценить ситуацию с освещением (функция фитохрома В), но и почувствовать положительные тенденции; понять, что свет все-таки есть и жить стоит (функция фитохрома А).

7.3.2.5. Регуляция прорастания семян.

Семена примерно 50% рудералов (среди которых немало сорняков) прорастают только после кратковременного освещения. Эти растения в природе занимают нарушенные места, поэтому зародышу важно определить, свободно ли место от растений-конкурентов. Если травостой сомкнут (место занято), то семена не прорастают. У сорняков с мелкими семенами другая проблема. В агроценозах основным фактором оказывается ежегодная перекопка почвы. При эжтом семена могут оказаться как глубоко под землей, так и близко к поверхности. Семена, находящиеся глубоко в почве, не получают светового стимула и впадают в состояние покоя, образуя семенной фонд. Но стоит вынести такое семя на поверхность, как оно прорастает.

В регуляции прорастания заметную роль играет фитохромная система. Для восприятия фитохромного сигнала необходимо набухание семян (если семя метаболически не активно, фитохром не может передать информацию в ядро). Как это и следует из свойств фитохрома А и В, прорастание можно вызвать небольшим количеством красных квантов (через фитохром В), тогда можно наблюдать К/ДК-обратимость. Освещение большой интенсивностью дальнего красного света также приводит к прорастанию (через фитохром А), причем обратить этот эффект не удается.

Интересно, что на чувствительноть семян к свету влияют условия выращивания материнского растения. Если арабидопсис выращивать на ярком свету, семена прорастают даже в полной темноте. В клетках зародыша еще при развитии на материнском растении фитохромная система получает достаточно красных лучей, и фитохромы переходят в форму Ф730. В этом состоянии семя переходит в состояние покоя и прорастает без света. Однако, если материнское растение выросло в тени других растений (или при недостатке света) фитохромы в зародышах остаются в форме Ф660, и "ожидает" красных лучей для активизации процессов прорастания. В этом случае семенам нужен свет для успешного прорастания.

Свойства фитохромной системы позволяют предложить сельскохозяйственные приемы, позволяющие снизить прорастание сорняков на полях. Например, можно вспахивать и засевать поле ночью, чтобы свет не попадал на семена сорняков. (Семена большинства культурных растений не нуждаются в свете для прорастания). Действительно, пробная вспашка поля ночью показала, что можно снизить засоренность на 30-60% от контрольного участка, который обрабатывали днем.

7.3.2.6. Взаимодействие внутренних часов и фитохромная система.

В растениях важную роль играют циркадные процессы, связанные с чередованием дня и ночи. Само название происходит от лат. циркум - вокруг, диес - день, т.е. процессы, сменяющие друг друга в течение суток.

У растений существуют внутренние часы, которые отмеряют время. Показать наличие часов достаточно просто. В качестве модельного объекта использовали растение из семейства вьюнковых Pharbitis nil. Цветение фарбитис зависит от длины светового дня: если день короче определенного интервала, то растение готовится к цветению, если длиннее - вегетирует. Уникальность физиологических свойств фарбитис состоит в том, что цветение можно вызвать всего лишь одним днем "удачного" освещения. Проростки фарбитис, никогда не видевшие света, обрабатывали вспышками красного света низкой интенсивности. Если вторая вспышка света была недалеко от первой, то растения переходили к цветению. Как только интервал между двумя вспышками превышал критическую величину, растение вегетировало и не давало цветков. Однако, если дать вторую вспышку более, чем через 24 часа, то фарбитис вновь цвел. (рис. 7.35).

Была предложена гипотеза, что у фарбитис есть эндогенные часы, которые "запускаются" первой вспышкой. С этого момента растение начинает отмерять сутки. Более того, сутки условно разбиты на фотофильный (photos - свет) и скотофильный (skotos- темнота) период. Если вторая вспышка приходится на фотофильный период, то фарбитис цветет, а если на скотофильный - то вегетирует.

Таким образом, фитохромная система взаимодействует с внутренними часами растения. Более того, растение подстраивает циркадные ритмы по сигналам фитохромной (и криптохромной - см. ниже) систем. Эндогенный ритм часов и внешний ритм освещения накладываются друг на друга и интегрируются в единый сигнал, на который растение должно адекватно ответить (в частности, фарбитис запускает программу цветения или вегетативного развития).

В течение суток условия освещения меняются из-за того, что солнце находится под разным углом к горизонту. Так, если солнце находится в зените (угол, близкий к 90╟), спектр падающих лучей искажается незначительно. Однако, при малых углах (раннее утро или поздний вечер) атмосфера работает как призма, причем угол преломления зависит от длины волны: красные (длинноволновые) лучи преломляются сильнее, а фиолетовые (коротковолновые) - меньше. В результате утром мы видим сначала сильно преломленные красные лучи, а потом цвет солнца становится бело-желтым. Вечером последовательность смены лучей обратная.

Для растений более важной оказывается смена красного и дальнего красного. Утром фитохромная система "просыпается" под действием дальних красных лучей, которые мсеняются красными, а вечером растения получают вслед за красными большую дозу дальних красных лучей. Активизация фитохрома А дальними красными лучами говорит растению о наступлении вечера и ночи, а активизация обоих фитохромов (А и В) - об утренних и дневных часах.

Часто ночью температура заметно ниже, чем днем. Поэтому, получив фитохромный сигнал и "сверив" его с часами, растение предпринимает превентивные меры (о механизмах защиты от холода - см. главу "Устойчивость"). Если растения вовремя не получат сигнал о наступлении ночи, они не успевают адаптироваться к суточным колебаниям температуры и хуже растут.

Важность фитохромной системы для циркадной температурной адаптации выяснили случайно. В целях повышения продуктивности лесных насаждений были получены трансгенные осины, в которые был встроен ген фитохрома А под сильным промотором. Эта манипуляция привела к тому, что у осин был снижен эффект избегания тени (растениям казалось, что они постоянно получают ДК-свет высокой интенсивности). Планировали высаживать осину более плотно, чтобы получить больше древесины с той же площади. Однако при пробной посадке выяснилось, что осины с неправильными фитохромными ответами не могут адаптироваться к суточным колебаниям температуры, и особенно сильно страдают от весенних и осенних ночных заморозков.

Таким образом, фитохромная система важна для восприятия растениями чередования дня и ночи. Более того, "сверяя" фитохромные сигналы с внутренними часами, растения могут довольно точно определять длительность дня и ночи. В некоторых случаях растения реагируют на изменение длины дня всего на 10 минут!

7.3.3. ФОТОРЕЦЕПЦИЯ В СИНЕЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА: КРИПТОХРОМ И ФОТОТРОПИН.

7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей области спектра.

В 1881 году Чарльз Дарвин в своих опытах с фототропизмом у канареечной травы показал, что экран из раствора бихромата калия, который не пропускает синий свет, полностью снимает эффект фототропизма. Еще через 2 года немецкий физиолог растений Юлиус Сакс провел более подробные опыты с применением цветных стекол и различных растворов, чтобы более полно оценить спектральные характеристики света, вызывающего реакцию фототропизма. В итоге стало понятным, что растение чувствует синий свет (красный не вызывал фототропизма).

Дальнейшие исследования сузили эту часть спектра до 400-500нм. Кроме того, было показано, что от синего света зависят и другие физиологические реакции у растений: биосинтез каротиноидов, антоцианов, устьичные движения. Причем вызванный светом ответ невозможно было обратить квантами света с другой длиной волны. После открытия фитохрома стало понятным, что у растений есть еще один фоторецептор, который отвечает за восприятие синей части спектра. Методы, которые применяли для изучения фитохрома, оказались почти не приемлемыми для нового рецептора, поэтому выделить и охарактеризовать рецептор синего света не удавалось вплоть до конца XX века. Этот гипотетический рецептор был назван криптохромом (криптос - скрытый, т.е. надежно "спрятанный" в растениях, не дающийся в руки исследователям).

Изучение физиологического спектра действия при фототропизме и наложение этого спектра давало слишком расплывчатые результаты. При наложении пики совпадали с пиками поглощения многих желтых соединений. На роль криптохромов претендовали флавопротеины, птерины и производные каротиноидов. Более того, в синей части спектра есть максимумы поглощения и у фитохромобилина, и у хлорофиллов (как вы помните, тетрапирролы поглощают не только красный, но и синий свет). По объективным причинам изучение восприятия синего света оказалось для физиологов достаточно сложным.

В 1993 году к решению проблемы криптохрома смогли приблизиться М.Ахмад и А.Р.Кашмор. Они отобрали среди мутантных растений арабидопсис те, которые давали удлиненный гипокотиль как в темноте, так и на свету. При более подробном изучении оказалось, что часть мутантов не реагирует на синий свет (гипокотиль длинный), тогда как на красном свету они заметно уменьшают длину. Был сделан вывод, что фитохромная система работает нормально, а мутант имеет нарушения в криптохромной системе. В дальнейшем удалось выделить как мутации по биосинтезу хромофорной группировки, так и по белковой части криптохрома, клонировать соответствующие гены и получить полную последовательность нуклеотидов для генов криптохрома.

7.3.3.2. Криптохром - рецептор синего света, локализованный в ядре и цитоплазме.

У арабидопсис криптохромная ситема представлена двумя белковыми комплексами: белками CRY 1 и CRY 2. (У папоротника Adiantum capilis-veneris обнаружено 5 генов, кодирующих различные криптохомы). Судя по первичной последовательности этих генов, белки криптохромов оказались близко родственными ДНК-фотолиазам. Эти ферменты позволяют репарировать сшивки, возникающие в ДНК вследствие облучения ультрафиолетом. ДНК-фотолиаза несет две хромофорные группы: флавин и птерин (или деазафлавин). Восстановление ДНК фотолиазами возможно только в присутствии света.

Криптохромы обладают консервативным участком с двумя карманами для хромофорных группировок и дополнительным участком на С-конце. По-видимому, именно С-концевой домен приводит к изменениям свойств фотолиазы и превращением в фоторецептор.(рис.7.36).

Криптохром не может непосредственно восстанавливать ДНК, но первичные акты захвата света у него такие же, как у фотолиазы. Птерин (метенилтетрагидрофолат) служит как светособирающий хромофор. При попадании синего кванта света возбуждение передается в "реакционный центр" криптохрома - на молекулу флавинадениндинуклеотида (ФАД). Наличие двух хромофоров объясняет тот факт, что физиологический спектр действия криптохрома совпадал как со спектром флавинов, так и со спектром птеринов.

ФАД в составе криптохрома 1 находится в стабильной семихинонной форме (т.е. он частично восстановлен и может легко отдавать электроны). Семихинонная форма ФАД может поглощать не только в синей, но частично - и в зеленой части спектра. Поэтому физиологический ответ можно вызвать не только синим, но и интенсивным зеленым светом.

Получив квант света, электрон флавинового ядра возбуждается, т.е. переходит на более высокую орбиталь, и редокс-потенциал резко изменяется. Возбужденный флавин является сильным восстановителем. Конкретный механизм передачи сигнала еще не изучен, но в настоящий момент существует три гипотезы. (1) Происходит самовосстановление молекулы криптохрома с изменением ее конформации, а конформация влияет на активность вторичных мессенджеров. (2) В систему передачи сигнала вовлечен промежуточный редокс-партнер. (3) Партнеру передается не электрон, а возбуждение квантом синего света, и этот квант приводит в действие еще одну хромофорную молекулу. Если эффективного взаимодействия не состоялось, возбужденное флавиновое ядро за считанные наносекунды теряет энергию путем флуоресценции.

Показано, что криптохром 1 (CRY 1) может связываться с фитохромом А, после чего криптохром фосфорилируется. На свету криптохром в клетках оказывается фософорилированным. По-видимому, без фосфорного остатка криптохром не активен. Фитохром А получив из окружающей среды сигнал о том, что свет в принципе есть, активизирует систему "поиска направления" (т.е. фосфорилирует криптохром). Это позволяет не просто почувствовать свет, но и верно определить направление роста в сторону максимальной освещенности. Криптохром в свою очередь может in vitro взаимодействовать с некоторыми фосфатазами, изменяя их активность. Возможно, запуск каскада фосфорилирования/дефософрилирования является одним из механизмов передачи сигнала .

Изучение трансгенных растений, у которых ген криптохрома 1 соединен с зеленым флуоресцентным белком выявило внутриядерное накопление флуоресцентной метки. Это говорит о том, что криптохром локализован в ядрах. Это и не удивительно, поскольку он очень похож на ДНК-фотолиазы, которые по определению имеют внутриядерную локализацию. Предполагают светозависимый транспорт криптохрома через ядерную мембрану. По-видимому, вторичные месснджеры криптохромной системы также располагаются в ядре и участвуют в регуляции экспрессии генов.

Криптохром 2 пока еще недостаточно изучен. Белковая часть молекулы на N-концевом участке похожа на криптохром 1 (она соответствует доменам, связывающим хромофорные группировки). Отличия касаются только С-концевого участка. Показано, что белок криптохрома 2 может связывать ФАД. При мутациях, затрагивающих криптохром 2, повреждаются ответы на синий свет низкой интенсивности, а если нарушена работа криптохрома 1 - то растения не реагируют на высокую интенсивность синего света. По-видимому, как и в системе фитохромов, у криптохромов есть разделение по функциям: криптохром 1 дает "приблизительный" сигнал (есть много света в синей и соседней зеленой областях), а криптохром 2 сигнализирует более точно (низкая интенсивность синего).

Благодаря спектральным свойствам дополнительного пигмента - птерина, криптохромы поглощают кванты не только синей области, но и из ближнего ультрафиолета (UV-A). Поэтому криптохромы иногда рассматривают как фоторецепторы в этой области спектра. Одним из механизмов, защищающих организм от жесткого излучения, является биосинтез пигментов ( в частности антоцианов и каротиноидов). Не удивительно, что их синтез контролируется криптохромной системой. В настоящее время показано, что от криптохромного сигнала зависит экспрессия генов халконсинтазы, халконизомеразы, дигидрофлавонолредуктазы и др. ферментов биоинтеза антоцианов. Заметим, что для биосинтеза антоцианов необходимы как фитохромная, так и криптохромная системы.

Криптохромная система участвует в "настройке" внутренних часов в растении и получении фотопериодического стимула, однако она не является главной. Интересно, что у животных (мыши, дрозофилы) также обнаружены криптохромы. У животных криптохромы играют основную роль в фотопериодической регуляции специфических сезонных форм поведения.

Криптохромный сигнал замедляет рост гипокотиля (или междоузлий) на свету, помогает фитохрому контролировать процессы деэтиоляции. При этом у мутантов по криптохрому 1 не происходит увеличение площади семядолей на свету, однако если семядоли отделить от растения, то можно добиться их увеличения в размерах. Это говорит о том, что на рост семядолей влияет сигнальный фактор, транспортирующийся из других частей проростка. Криптохром 1, находящийся непосредственно в семядолях, не играет роли в их растяжении.

Можно отметить, что обе фоторецепторные системы, действующие в ядерном компартменте, - криптохром и фитохром - в заметной мере дублируют друг друга. Пути передачи сигнала от этих систем, по-видимому, сходятся и взаимодействуют друг с другом, что приводит к интеграции информации о физиологически важных областях спектра - синей и красной.

7.3.3.3. Фототропин - мембранный рецептор синего света.

В 1995 году был изучен первый мутант арабидопсис из серии Non Phototropic Hypocotyl - nph1. У мутантных растений был нарушен только фототропический ответ (причем как положительный, так и отрицательный), но не были нарушены остальные физиологические реакции, связанные с восприятием света (деэтиоляция, циркадные ритмы и т.д.). Белок был назван фототропином 1 - PHOT 1 (еще его обозначают NPH 1 по названию мутации).

Фототропин является ассоциированным с мембраной белком. Хотя, судя по аминокислотной последовательности, в нем нет протяженных гидрофобных участков, предполагается, что он входит в мембранные белковые комплексы.

Анализ первичной последовательности ДНК PHOT 1-гена показал, что фототропин 1 обладает свойствами протеин-киназ, т.е. может участвовать в процессах фосфорилирования. Так, после кратковременного освещения белковый продукт оказывается фосфорилированным, что приводит к каскаду процессов, приводящих к быстрому первичному изгибу в ответ на свет.

По гомологии с другими рецепторными белками, в аминокислотной последовательности фототропина 1 можно выделить два так называемых LOV-домена (Light - Oxygen - Voltage).(рис.7.37). Как следует из названия, эти домены встречаются в белках, ответственных за фототропизм, хемотропизм (по градиенту кислорода или редокс-потенциала) и потенциал-зависимые мембранные процессы в разнообразных организмах - от бактерий до человека.

В условиях in vitro фототропин 1 может связывать флавинмононуклеотид (ФМН), причем количество связанных молекул зависит от числа LOV-доменов (каждый домен связывает только одно флавиновое ядро). По-видимому, в клетке также происходит связывание ФМН, и когда свет попадает на эту молекулу, начинается каскад фосфорилирования, приводящий к тропизму.

Недавно был обнаружен еще один белок из того же семейства: фототропин 2 (PHOT 2). Он немного короче, чем PHOT 1, но при нарушении его работы фототропизм также пропадает. Предполагают, что в мембране оба фототропина образуют гетеродимер, и нарушение работы как PHOT 1, так и PHOT 2 вызывает распад активного комплекса, ведущий к нарушению фототропизма.

Интересно, что мутанты по криптохромной системе (у которых нет функционирующих CRY1 и/или CRY2), тем не менее показывают первичные реакции, связанные с фототропизмом: светозависимое фософорилирование мембранных белков и начальные стадии изгиба. Однако, у таких мутантов заметно снижена амплитуда фототропического ответа. Того же эффекта можно добиться нарушив ген фитохрома А. Это означает, что фитохромная и криптохромная системы стимулируют фототропический изгиб, хотя по сигналам от этих фоторецепторов ядерной локализации растения не в состоянии определить направление изгиба. Таким образом, главная роль в определении направления фототропизма принадлежит флавопротеидам, локализованным на мембранах: фототропинам 1 и 2.

7.3.3.4. Суперхром - "кентавр" с головой фитохрома и туловищем фототропина.

У папоротника Adiantum capilis-veneris был найден ген, имеющий заметную гомологию как с фитохромами, так и с фототропинами. Выделенный in vitro белковый продукт этого гена, связывает фитохромобилин и показывает К/ДК-обратимость. Наличие LOV-доменов заставляет предположить, что он связывается также и с ФМН. Чтобы усилить впечатление от этого открытия, "двойной" фоторецептор назвали суперхромом. Как и фототропин, суперхром обладает протеин-киназной активностью.

Таким образом, если у одних растений фототропин должен взаимодействовать с фитохромной системой опосредовано, то у Adiantum проблема взаимодействия красного и синего световых сигналов может решаться на уровне единого "гибридного" фоторецептора.

7.4.1. ЭНДОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ.

7.4.1.1. Образование листьев.

Апикальная меристема побега растет неравномерно. Один из периодических процессов, который можно наблюдать - это закладка листовых примордиев. Промежуток времени от закладки одного примордия до закладки следующего называют пластохроном.

Каждый пластохрон обозначен определенными событиями. Например, синтез ауксинов в апексе побега осциллирует во времени, что вызывает волны синтеза ауксинов. Самые ранние сведения об этом явлении были получены в 1950-х годах при анализе содержания ауксинов вдоль побегов сосны, когда выяснилось, что участки с повышенным содержанием этого гормона чередуются с участками ткани, в которых ауксинов мало. Место закладки примордия листа определяется вектором транспорта ауксина, причем у зон будущих примордиев наблюдается явление доминирования: на соседних участках закладка примордиев не происходит, листья оказываются при этом удаленными друг от друга на максимальное расстояние.

Нарушить систему транспорта ауксинов можно либо химическими агентами (нафтилфталаминовой кислотой, трииодбензойной кислотой и др.), либо генетическими методами (мутация pin 1 по активному переносчику ауксина у арабидопсис). При этом происходят характерные нарушения как в расположении листьев, так и в дальнейшей закладке проводящей системы. У мутантов в одном узле может закладываться несколько слившихся листьев, обеспеченных несколькими главными жилками, или образуется единый кольцевой примордий. Несмотря на нарушение транспортной системы, осцилляции в биосинтезе ауксинов тем не менее происходят, а закладка примордиев определяется простой диффузией.

После поступления ауксинового сигнала от меристемы, в зоне будущего примордия должны активизироваться определенные гены.(рис. 7.38). Главную роль при "разбиении" пространства на примордии и междоузлия являются гены, содержащие гомеобокс (транскрипционные регуляторы, часто используемые при эмбриогенезе у животных). Первым геном из этой серии был ген KNOTTED 1 (KN 1) кукурузы. При мутации лист растения теряет лигулу (язычок) и вдоль листовой пластинки видны разрастания - узелки, из-за которых ген и был назван. Наиболее активен этот ген в меристеме. В будущих примордиях листьев ген KN 1 не экспрессируется, а в междоузлиях экспрессия сохраняется. Полосы экспрессии гена KN 1 можно обнаружить еще до того, как начались первые периклинальные деления, обозначающие примордий морфологически. Аналогичные гены были выделены из арабидопсис (STM - shootmeristemless), томатов, табака и ряда других объектов. Кроме того, у табака обнаружен ген NFL 1, который, наоборот, появляется в примордиях листьев до начала морфологической дифференцировки.

Можно заставить растение экпрессировать ген KN 1 во всем объеме тканей так, чтобы не было "зон молчания". Тогда растения из всех клеток начинают образовывать меристемы и листья неправильной формы. По-видимому, гены с гомеобоксом позволяют контролировать различия между развивающимся листом и боковой осью. У томатов нарушения в работе гомеобокс-содержащих генов приводят к тому, что листья теряют дорзивентральное строение и приобретают черты боковой оси. Интересно, что активность промотора гена KN 1 зарегистрирована только во внутренних слоях (клетках L2), а белковый продукт и м-РНК обнаруживаются также и в наружном слое L1. Оказывается, клетки разных слоев способны обмениваться достаточно высокомолекулярными соединениями (белками транскрипционных факторов и их РНК). Транспорт этих молекул может быть еще одной возможностью для регуляции ростовых процессов.

Повышение эндогенного уровня цитокининов приводит к тому, что на листьях образуются адвентивные почки, т.е. репрессии функций меристемы побега не происходит. Поэтому цитокинины и гены с гомеодоменом рассматривают как две одновременно действующие и взаимосвязанные регуляторные системы, регулирующие меристематическую активность.

Более позднее событие, непосредственно приводящее к морфологическим эффектам - биосинтез белков-экспансинов (от англ. expansion - растяжение, расширение, увеличение поверхности). Экспансины выделяются в апопласт, что приводит к размягчению клеточной стенки. (Экспансины используются для регуляции разнообразных процессов, в которых важно размягчить клеточную стенку: в созревании плодов, при листопаде, при прорастании пыльцевого зерна и т.д. В геноме арабидопсис найдено 26 генов для a-экспансинов и 5 генов для b-экспансинов).

Размягчение клеточной стенки изменяет механические свойства апекса, давление внешнего слоя клеток (L1) ослабевает, и в слое L2 начинаются периклинальные деления, фактически изменяется направление веретена деления, образуется новый "вектор роста". Этот этап - первое из видимых в микроскоп событий, позволяющее зарегистрировать новый листовой примордий. Агаровый блок с белком-экспансином можно поместить на меристему рядом с уже заложенным примордием, что вызовет аномально близкое расположение нового листа.

Интересно, что при изменении положения веретена деления меняется и общая поляризация клеток, элементы цитоскелета располагаются вдоль новых осей. Это приводит в частности к тому, что изменяется направление отложения целлюлозных фибрилл на поверхности листового примордия так, что растяжение и рост оказываются возможными толь ко в одном направлении. По-видимому, процесс отложения целлюлозы является направляющим при определении формы будущего листа. У сложных по форме листьев все эти процессы повторяются несколько раз при образовании боковых лопастей или долей.

Лист по мере развития приобретает дорзивентральное строение. Этот процесс контролируется генами FANTASTICA у львиного зева и FILAMENTOUS FLOWER у арабидопсис. На начальных стадиях развития листа эти гены экспрессируются во всем объеме примордия. Как предполагают, апикальная меристема посылает "дорзивентральный" сигнал (природа его до сих пор еще не выяснена) и в верхних частях примордия экспрессия генов FANTASTICA и FILAMENTOUS FLOWER ослабевает. В результате на поздних этапах морфогенеза эти гены экспрессируются только в дистальной части примордия. Зона их экспрессии определяет будущую нижнюю (абаксиальную) поверхность листа. При мутациях fantastica и filamentous flower все стороны листа оказываются верхними. Лист становится цилиндрическим.

7.4.1.2. Переход к цветению.

Апикальная меристема побега участвует в более сложных ритмах, связанных с образованием листовых серий или цветением. Ярче всего ритмические процессы выражены у растений тропического климата. Так, гевея бразильская за один ритм роста образует листовую серию, состоящую из почечных чешуй и зеленых листьев. Далее происходит остановка развития меристемы и закладка новой почки. Примечательно, что за 1 год меристема у гевеи образует до 7 листовых серий, причем чередование покоя и активного роста не связано с наступлением неблагоприятных условий! Таким образом, у растений есть эндогенные ритмы развития.

В примере с гевеей чередуются ритмы вегетативного роста. Не менее примечательно явление "подсчета" листьев в листовой серии. Так, популярное комнатное растение гиппеаструм закладывает соцветие ровно через 4 вегетативных листа (закладка листьев у гиппеаструма как и у гевеи не зависит от внешних обстоятельств: примерно 1 лист за 1 месяц). Подснежник-галантус "отсчитывает" ровно 3 листа, хотя многие другие растения довольствуются лишь приблизительной их оценкой. Так или иначе, растению важно знать, сколько листьев имеется, чтобы приступить к образованию соцветий.

Можно предложить две модели "рассчета" листьев: (1) когда меристема просто не способна образовать другое количество листьев и (2) когда меристема получает сигнал от листьев и по уровню сигнала оценивает, сколько листьев "накоплено" на данный момент. В экспериментах с кукурузой меристему аккуратно отделяли от остального растения и укореняли до того, как она образовала верхушечную метелку. Оказалось, что меристема "восстанавливает" необходимое число листьев, и только после этого приступает к цветению. Если меристему лишь надрезать, оставив связь с остальными листьями, то происходит укоренение, но не обрахование листьев "сверх нормы". Это говорит о том, что меристема у кукурузы компетентна к образованию большего числа листьев, а в "подсчете" опирается на сигналы, передаваетмые от листа в меристему.

Мутант id 1 (indeterminate) кукурузы обладает длительным вегетативным ростом, образует соцветия неправильной формы с вегетативными чертами. По-видимому, мутация затронула ген, важный для правильного "подсчета" листьев. Анализ экспрессии показал, что продукт гена ID 1 сосредоточен в кончиках листовых примордиев. Предполагают, что сам продукт не является сигнальным, но он участвует в процессе "отправки" сигнала в меристему.

Другой механизм "подсчета" работает у арабидопсис. Так, переход к цветению у этого объекта зависит от уровня экспрессии гена LFY (LEAFY). При мутации возникает соцветие с многочисленными зелеными листьями, цветки обладают многими вегетативными чертами. (У львиного зева при мутации в гомологичном гене FLO цветки вообще не образуются). В норме экпрессия гена LFY наблюдается у молодых растений и постепенно усиливается. После достижения определенного уровня экспрессии меристема переходит к закладке соцветия. Белковый продукт LEAFY оказался транскрипционным фактором, содержащим MADS-бокс. Гомологи гена LFY найдены у многих растений.

Заметим, что при повреждении системы оценки вегетативных листьев все же наблюдается переход к цветению. Это означает, что сигнал к цветению - не единственный, он продублирован другими генами. Для арабидопсис постулируют второй ген - AP 1 (APETALA 1), который "запускает" программу образования цветков и является транскрипционным фактором того же типа, что и LFY.

Итак, меристема получает сигнал о том, что "накопилось" достаточное количество вегетативных листьев, после этого происходит ряд примечательных событий, характеризующих переход к цветению. Покоящийся центр, характерный для вегетативных меристем, исчезает, все клетки вступают в клеточный цикл. Происходит вакуолизация меристематических клеток, и биохимические перестройки, которые М.Х.Чайлахян называл "эвокацией цветения" (т.е. как бы скрытой, самой ранней стадией развития цветков).

Изменяется и расположение примордиев на меристеме. У гиппеаструма и галантуса происходит поворот листовой серии на 90╟, у лилии - переход от филлотаксиса 3/8 к филлотаксису 2/5, а у львиного зева - даже смена супротивного листорасположения на очередное. У растений с терминальным цветком должна произойти перестройка листорасположения вегетативной оси на мутовчатое (круговое), характерное для цветка.

Изменение ритма закладки листовых примордиев приводит к тому, что меристема на время "замирает", образуется зона, отделяющая соцветие от вегетативной части. При этом снимается эффект апикального доминирования, и ближайшая боковая почка начинает рост.

7.4.1.3. Образование цветка.

Уже на ранних этапах в меристеме цветка можно обнаружить экспрессию специфических генов. Повреждение этих генов в результате мутации приводит к замене одних органов цветка на другие и (часто) к нарушению в расположении органов. Таким образом, при закладке цветка можно выделить два взаимовлияющих процесса: 1) пространственную разметку флорального примордия на отдельные органы цветка и 2) определение судьбы заложенных органов (developmental fate). Хотя эти два процесса находятся в тесной корреляции, иногда возникает несогласованность, и тогда из примордия развиваются органы мозаичного строения (с тканями, характерными для органов двух соседних кругов).

Наиболее подробно исследованы гены, определяющие судьбу органов в развитии. Условно эти гены делят на три группы: А , В и С. Поэтому существующую модель развития цветка часто называют АВС-моделью.

(рис.7.39).

У арабидопсис к генам с функцией А относится APETALA 2 (AP 2), продукт которого является транскрипционным фактором. В зоне экспрессии этого гена развиваются чашелистики и лепестки (при мутации лепестки исчезают, что и послужило поводом дать название гену: apetala - безлепестковый).

Функцией В "заведуют" гены APETALA 3 (AP 3) и PISTILLATA (PI). Их продукты образуют гетеродимер, который способен связываться с промоторными участками ДНК. В составе этих генов обнаружен MADS-бокс. Гены AP 3 и PI экспрессируются в зоне, из которой возникают лепестки и тычинки. При мутациях ap 3 или pi лепестки исчезают (или превращаются в органы, напоминающие чашелистики) а тычинки приобретают черты пестиков.

Наконец, функция С контролируется геном AGAMOUS (AG), который оказался транскрипционным фактором с MADS-боксом. Ген AG определяет судьбу тычинок и плодолистиков, а также отвечает за остановку роста во флоральном примордии. При мутации ag тычинки заменяются на лепестки, плодолистики - на чашелистики и далее процесс образования цветка повторяется несколько раз.

По АВС-модели исходным состоянием является вегетативный лист, а гены из групп А, В и С только модифицируют его развитие. Это подтверждается тем, что у тройных мутантов, где затронуты все эти группы генов, вместо цветка образуется укороченный побег со спиральным листорасположением.

Для образования чашелистиков достаточно только генов группы А. Действительно, двойной мутант ag pi образует "бесконечный" цветок из одних чашелистиков. У растений повреждаются функции В и С, активными остаются только гены группы А.

Чтобы в цветке осуществилась закладка плодолистиков, нужна активность генов только С-класса. У соответствующих мутантов ap 2 pi, где повреждены функции А и В, цветок состоит из одних плодолистиков.

Гены А и С являются антагонистами (взаимно ингибируют экспрессию друг друга). При повреждении генов группы А, во всем примордии цветка образуются продукты генов С и наоборот.

Гены группы В не достаточны для строгого определения типа органов, они работают в комбинации с другими классами. Во флоральном примордии в зоне, где перекрывается экспрессия А и В, образуются лепестки. Там, где одновременно экспрессируются гены В и С, образуются тычинки.

Модель АВС получила подтверждение на большом экспериментальном материале. Гены, гомологичные AP2, AP3, PI и AG обнаруживают у все большего числа растений. Анализ экспрессии показывает то же пространственное распределение продуктов этих генов в примордии цветка, что и у арабидопсис. Более того, генноинженерное перенос генов из арабидопсис в табак или петунию вызывает именно такие изменения в строении цветка, которые предсказывает АВС-модель. Таким образом, генетическая регуляция закладки органов цветка достаточно консервативна среди цветковых растений.

Меньше известно о разметке флорального примордия на отдельные органы. С одной стороны, гены АВС-модели заметно влияют на количество и положение органов в цветке. Мутации с сильным выражением по этим генам сильно изменяют структуру цветка.

Специфических генов, изменяющих только структуру цветка, обнаружено сравнительно немного. У арабидопсис есть ген PENTAMEROUS ANTHER (PAN). В норме цветок арабидопсис обладает типичной для крестоцветных симметрией цветка с 4 чашелистиками, 4 лепестками, 6 тычинками и 2 плодолистиками. При мутации pan цветик становится пентамерным: 5 чашелистиков, 5 лепестков, 10 тычинок. По-видимому, функция гена PAN в норме является "удаление" лишних органов и придание цветку крестообразной симметрии.

За образование зигоморфного цветка у львиного зева отвечает ген CYCLOIDEARADIALIS (CYC). Ген влияет на верхнюю (ближнюю к главной оси) тычинку, превращая ее в стаминодий, модифицирует развитие лепестков. Примечательно, что при повреждении генов А-класса лепестки львиного зева превращаются в тычинки. У мутантов они оказываются под действием гена CYC и вместо типичного одного стаминодия возникает три. При мутации cyc цветок становится радиально-симметричным, все тычинки одинаково хорошо развиты.

Еще одним важным фактором развития цветка является, по-видимому, объем меристемы, из которой возникает цветок. Если объем меристемы увеличивается, то в цветке могут закладываться дополнительные органы. У мутантов арабидопсис из серии clavata (clv 1, clv 3) меристема более крупная, что приводит к закладке плода с 4-мя гнездами вместо типичного двухгнездного стручка. Аналогичное явление, по-видимому, приводит к закладке дополнительных кругов плодолистиков у некоторых сортов апельсинов.

Мутации, уменьшающие объем меристемы, часто приводят к потере органов (обычно тычинок и лепестков).

7.4.1.4. Заключение.

Развитие растения можно представить как последовательный каскад внутренних регуляторных стимулов. Некоторые регуляторные события происходят на протяжении всего морфогенеза. Например, неоднородный синтез и транспорт ауксинов, "включение" и "выключение" генов, содержащих гомеобокс, выделение экспансинов, периклинальные деления в L2, определение "верхней" и "нижней" поверхности примордия.

Другие события в регуляторном каскаде приводят к образованию цветков. Меристема побега, образующая примордии, оценивает число образовавшихся листьев по многим параметрам: по уровню низкомолекулярных веществ - фотоассимилятов, гиббереллинов и т.д., по уровню экспрессии определенных генов (LFY ) и т.д. После достижения порогового значения, наступает эвокация цветения. Меристема модифицирует свою работу: исчезает покоящийся центр, меняется листорасположение, появляются продукты новых генов. Для образования полноценного цветка необходимы гены с А, В и С -функциями. Кроме того, есть гены, определяющие расположение органов внутри цветка, т.е. отвечающие за позиционную информацию.

Заметим, что повреждение более ранних этапов регуляции отражается и на структуре цветка. Так, при нарушении транспорта ауксинов боковые цветки вообще не развиваются, а верхушечный состоит из слившихся органов неправильной структуры. Повреждение функции определения дорзивентральной симметрии (мутация filamentous flower) приводит к тому, что все органы цветка превращаются в цилиндрические структуры. С помощью агарового блока с экспансином можно создать не только "лишний" лист, но и "лишний" лепесток или тычинку и т.д. Если нарушать поздние этапы в этом каскаде, то повреждения затронут только цветок.

7.4.2. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ.

7.4.2.1. Пищевые ресурсы экотопа. Регуляция цветения элеменами минерального питания.

Прежде, чем приступить к цветению, растение оценивает доступность минеральных веществ, и в первую очередь - азота. В случае, когда азота много, все силы растения расходуются на вегетативный рост и накопление азотных соединений, а цветение наступает позже, чем при умеренном питании. Это явление было замечено земледельцами достаточно давно. Вот как описывает этот феномен Иоганн Вольфганг Гете в книге "Метаморфоз растений".

"Замечено, что обильное питание задерживает наступление цветения растения, тогда как умеренная и даже скудная пища его ускоряет. Этим еще яснее обнаруживается влияние стеблевых листьев ┘ Пока еще надо отводить действие более грубых соков, до тех пор все возможные органы растения должны быть превращены в орудие этой потребности. Когда поступает избыточное количество пищи, то эта операция должна постоянно повторяться, и цветение становится как бы невозможным. При лишении растения пищи это действие природы, наоборот, облегчается и укорачивается; органы узлов становятся все более утонченными, действие облагороженных соков чище и сильнее, превращение частей становится возможным и неудержимо осуществляется".

С развитием физиологии растений в конце XIX в. возникло предположение, что для вегетации необходимо высокое содержание азота в растениях, тогда кака для цветения нужно много сахаров (продуктов фотосинтеза).

Экспериментальную проверку этого предположения в начале ХХ века провел немецкий физиолог растений Г.Клебс. В качестве модельного объекта были взяты лобелия, будра и молодило. Часть растений обильно удобряли соединениями азота и поливали, другие поливали умеренно и высаживали в почву, бедную азотом. Чтобы повлиять на процесс фотосинтеза, листья затеняли или освещали ярким светом, разлагая его на отдельные части спектра. После каждого опыта проводили химический анализ.

Оказалось, что цветение начинается на ярком свету ( более того - важна именно красная часть спектра) и коррелирует с высоким содержанием сахаров в тканях по сравнению с азотсодержащими совединениями. При затенении, обильном поливе и удобрении накапливается больше азота, что коррелирует с быстрым вегетативным ростом и задержкой цветения.

Клебс выдвинул азотно-углеродную (трофическую) теорию регуляции цветения. Если в растении много соединений азота и мало соединений углерода, оно будет расти. И наоборот, если соединения углерода преобладают над азотными, то растение зацветет. По концентрации азота растение оценивает работу корневой системы, а по сахарам - работу листового аппарата. Если листовой аппарат работает хорошо, то возможно плодоношение, а если работа корня слишком интенсивна, то необходимо восстанавливать баланс между работой корневой системы и площадью листового аппарата. Растение образует много листьев (вегетирует), а когда баланс восстановится образует цветки и плоды.

Теория Клебса нашла отклик в сельском хозяйстве. Так, были разработаны методы интенсивного плодоводства, основанные на обрезке. Для ускорения цветения на молодые ветви деревьев накладывали плодовый пояс: ветку перетягивали проволокой так, чтобы сосуды флоэмы оказались сжатыми, или часть флоэмы удаляли. Это замедляет отток сахаров из кроны и способствует закладке цветков и плодоношению.

Исследования Клебса стимулировали изучение потребностей в элементах минерального питания у разных групп сельскохозяйственных растений, был получен богатый материал по частной физиологии растений. Например, выяснилось, что избыток азота препятствует переходу в состояние покоя, запас крахмала снижен по сравнению с запасом азотных соединений, покой оказывается менее глубоким, растение снижает устойчивость к инфекции и к климатическим факторам.

7.4.2.2. Пищевые ресурсы экотопа. Регуляция цветения элеменами минерального питания.

В каждой точке планеты существует сезонные колебания влажности и температуры, определяющие климатические особенности той или иной местности. Виды растений должны быть адаптированы к сезонным климатическим изменениям.

Многообразие климатов достаточно высоко. На территории России один из самых важных климатических факторов - зимнее снижение температур, неблагоприятное для роста. В Средней и Центральной Азии к этому добавляется летняя засуха. Растения вынуждены рассчитывать время развития так, чтобы цветение, образование плодов и семян приходилось на благоприятный сезон.

Наступление неблагоприятных факторов обычно коррелирует с изменением длины дня. Самые заметные колебания в длительности светлого времени суток наблюдается в высоких широтах: за полярным кругом бывает полярный день (24 часа света/сутки) и полярная ночь (0 часов света/сутки). Чем ближе тропическим областям, тем незначительнее изменение длины суток. И, наконец, на экваторе день всегда равен ночи (12 часов света/сутки). Таким образом, на экваторе растения не могут оценить изменение длины дня. В тропических районах длина дня меняется незначительно, отсюда происходят растения, наиболее чувствительные к изменениям длины дня. Этим растениям приходится оценивать время с точностью до 1-3%! Растения умеренных широт оценивают длину дня менее точно, но она играет более заметную регуляторную роль в развитии. Закономерное изменение длины дня в течение года называют фотопериодизмом. Физиологический ответ на этот внешний стимул - это фотопериодическая реакция растений.

Рассмотрим уменьшение длины дня как внешний регуляторный фактор. Для растений умеренных широт уменьшение длины дня говорит о надвигающемся похолодании. Соответственно растения готовятся к состоянию покоя: происходит листопад, питательные вещества перемещаются из надземной части в подземную, рост останавливается.

Для растений из Средиземноморской области сокращение длины дня говорит о наступлении зимы - самого влажного сезона года с приемлемыми для роста температурами. Они должны давать противоположную физиологическую реакцию: активизировать рост и цветение.

Эти два противоположных ответа на длину дня можно назвать типичными. Кроме того, существуют климаты, в которых влажный период приходится не на зимнее, а на осеннее или весеннее время. Тогда растению приходится оценивать не общую тенденцию, а точно измерять интервал и определять благоприятный сезон. Если длина дня меньше или больше "эталонной", это говорит о неблагоприятных условиях, и растение готовится к покою.

Бывает и "симметричная" ситуация, когда климат в целом благоприятен, но весной или осенью наблюдается засуха. Тогда измеренная "эталонная" длина дня говорит о неблагоприятных условиях, и растения впадают в состояние покоя.

По отношению к длине дня физиологи выделяют несколько групп растений.

Нейтральные растения (НР) - длина дня не оказывает заметного влияния, растения цветут по достижении определенного возраста или размера. Обычно нейтральные растения происходят из экваториальных областей.

Длиннодневные растения (ДДР) - зацветают только в том случае, если длина дня больше некоторой критической величины. ДДР происходят из умеренных областей с равномерным увлажнением по сезонам.

Короткодневные растения (КДР) - зацветают только тогда, когда длина дня меньше, чем некоторая критическая величина. Они происходят из субтропических и тропических областей с зимним максимумом увлажнения. (Есть и растения с количественной реакцией на короткий день: цветение ускоряется на коротком дне, хотя длина дня не играет принципиальной роли).

Длиннокороткодневные растения (ДКДР) - для цветения необходима определенная последовательность: сначала длинные дни, а затем короткие. Эти растения настроены на благоприятный осенний период.

Короткодлиннодневные растения (КДДР) - для цветения необходима смена коротких дней на длинные (но не наоборот). Благоприятный период у этой группы ассоциируется с весенним сезоном.

Среднедневные растения (СДР) - для цветения необходим определенный интервал длины дня: ни при увеличенной, ни при уменьшенной длине дня эти растения не цветут. Это - сравнительно редкий тип регуляции цветения.

Амфифотопериодичные растения (АФПР) - для цветения неблагоприятен узкий интервал, а при большей или меньшей длине дня цветение наступает. Этот тип физиологических ответов также достаточно редок.

Под контролем фотопериода находятся самые разнообразные процессы. Так, у многих растений от длины дня зависит перестройка работы меристемы побега и образование цветков. При определенной длине дня возникают и почки у многих деревьев. Земляника образует расселительные побеги - усы - при наступлении длинных дней. Сбрасывание листьев у репчатого лука и тюльпанов происходит на длинном дне, а у березы и осины - на коротком. Образование запасающих органов (кочанов у капусты, клубней у диких видов картофеля и топинамбура) также зависит от длины дня. Растения пустынь могут изменять листья С-3 типа на С-4 и наоборот, а водные растения - сменяют подводные листья на надводные, получая из внешней среды фотопериодический сигнал и т.д.

Интересно, что фотопериодические ответы бывают не только у растений. Так, у птиц и крупных млекопитающих сезонная миграция связана с фотопериодической регуляцией. Не менее важна сезонная половая активность ряда животных. Фотопериод влияет на пищевое поведение: под влиянием коротких дней животные умеренных широт начинают искать более калорийную пищу. Человек также подвержен фотопериодическому воздействию, которое часто не осознается, а действует на уровне инстинктов. Фотопериодом регулируются сезонные эмоциональные состояния, сезонные изменения пищевых предпочтений и связанные с ними летне-зимние колебания веса и т.д.

7.4.3.1.История открытия фотопериодизма.

В двадцатые годы ХХ века два американских исследователя - У.У.Гарнер и Г.А.Аллард - изучали влияние длины светового дня на табак. Классическим объектом их исследований был табак сорта 'Maryland Mammoth' (большинство промышленных сортов табака - нейтральные растения). Этот сорт отличался более крупными размерами и поздним цветением - для сбора семян приходилось доращивать растения в теплице. Гарнер и Аллард выяснили, что растения цветут только при коротком дне: экспериментальное укорочение длины дня вызывало цветение этого сорта (т.е. табак 'Maryland Mammoth' - типичное КДР).

Гарнер и Аллард пробовали прерывать светлое время суток периодом темноты , а ночное время - вспышками света. Выяснилось, что прерывание дня не дает никакого результата. Прерывание ночи не давало цвести этим короткодневным растениям. Причем, чем ближе к середине ночи проводили освещение, тем эффективнее была обработка. Для предотвращения цветения было достаточно всего нескольких минут ночного освещения. (Рис.7.40).

Изученный Гарнером и Аллардом феномен получил название эффекта прерывания ночи. Был сделан вывод, что для оценки длительности дня важно не светлое(дневное) время, а продолжительность ночи. Условно каждое короткодневное растение можно было назвать "растением длинной ночи", а каждое длиннодневное - "растением короткой ночи". (Впрочем, такой вывод оказался преждевременным).

Исследования Гарнера и Алларда стимулировали других исследователей заняться явлением фотопериодизма у растений в 1920-1930-х годах. Много важных обобщений по географическому распространению КДР и ДДР было сделано работниками Всесоюзного Института Растениеводства.

7.4.3.2. Опыты М.Х.Чайлахяна.

В 1935 г. Институте Физиологии Растений начались исследования выдающегося ученого Михаила Христофоровича Чайлахяна. Для большинства экспериментов он использовал простейшее оборудование: темную плотную ткань и скальпель.

Для решения вопроса об органе, воспринимающем длину дня, были взяты хризантемы (КДР). В летнее время чтобы вызвать цветение достаточно было в течение 10-15 дней накрывать и открывать растения в строго определенное время черной тканью. Если черную ткань открывали на 10 часов и менее, хризантемы цвели (положительный контроль). Если растения оставались на естественном 16-часовом дне, то они вегетировали (отрицательный контроль).

Поскольку на свету оказывались листья и апикальные меристемы побегов, то нужно было выяснить, какой из этих двух органов воспринимает световой сигнал. Чайлахян оставил на каждом растении по одному крупному листу и по одной точке роста. Чтобы избежать влияния листьев, которые образует меристема, каждые 2 дня молодые листья удаляли. (рис.7.41).

Накрывая черным футляром меристему, Чайлахян добивался того, что листья оказывались на длинном дне (16 часов), а меристема получала 10-часовой день. В другом варианте футляром закрывали лист: меристема оставалась на длинном дне, а лист получал 10-часовое освещение.

В результате меристемы образовали соцветия только там, где листья получали короткий день. Чайлахян сделал вывод, что длина дня воспринимается листьями, далее преобразуется в сигнал и передается в меристему побега, где вызывает переход к состоянию цветения. Опыты с другими группами растений (ДДР, ДКДР, КДДР) подтвердили этот вывод.

Один из самых изящных экспериментов был проведен с периллой (очень живучее короткодневное растение из семейства губоцветных). Чайлахян вырастил периллу на длинном дне (неиндуктивные условия), затем отрезал листья и поместил их во влажной камере на короткий день (индуктивные условия), а затем привил эти листья на нецветущие растения. Несмотря на низкий % приживаемости листьев, в удачных вариантах листья стимулировали цветение периллы! Это означало, что даже отрезанные от растения листья могут воспринимать длину дня, вырабатывать и накапливать сигнальные вещества, вызывающие цветение.

Оставляя почки в нижней части растения, а листья - в верхней, Чайлахян выяснил, что сигнал может распространяться сверху вниз, т.е. нельзя говорить о полярном распространении флорального стимула. Более того, периллу удалось аккуратно разрезать почти до кончика корня. Листья одной половины, получавшие день нужной длины, передавали сигнал цветения к почкам в другой половине. Эти опытом Чайлахян доказал, что сигнал может передаваться не только по стеблям, но и через корневую систему. Была измерена скорость распространения сигнала, которая заметно зависела от температуры (при +5╟С скорость сигнала падала).

Опыты с надламыванием ксилемных пучков и с удалением наружного слоя флоэмы со стебля показали, что синал от листьев к меристеме передается по флоэме (т.е. по живым клеткам).

Чтобы понять, насколько универсален сигнал цветения, Чайлахян прививал побеги короткодневного топинамбура (Helianthus tuberosus) на длиннодневный подсолнечник (Helianthus annuus). Прививки содержали на длинном дне, при этом в листьях подсолнечника образовывался флоральный стимул, далее стимул передавался в меристему топинамбура, что вызывало цветение. Этот результат говорит о том, что по крайней мере в пределах рода флоральный стимул общий.

Чтобы растение восприняло длину дня как стимул к цветению, оно должно достигнуть определенного возраста. Чайлахян называл этот возраст цветочно-спелым состоянием, т. е. внутренние факторы развития должны привести растение к определенному состоянию. После получения сигнала меристема не сразу образует видимые органы цветка. Этому предшествует период "скрытой подготовки" к цветению ("эвокация" по Чайлахяну).

7.4.3.3. Гормональная теория цветения М.Х.Чайлахяна.

Гипотетический стимул, который вызывал цветение, Чайлахян назвал флоригеном (flore - цветки, genesis - рождение). По теории Чайлахяна для цветения любых растений необходимо образование флоригена. У нейтральных растений флориген образуется постоянно и не зависит от внешних условий. У ДДР флориген образуется на длинном дне, а у КДР - на коротком.

В конце 1950-х годова А.Ланг, бывший аспирант Чайлахяна, который уехал продолжать исследования в США, прислал в Москву только что открытые гормоны - гиббереллины. Чайлахян исследовал влияние гиббереллинов на цветение. Оказалось, что у рудбекии, арабидопсис, укропа, салата-латука и других ДДР гиббереллин ускорял образование цветков даже на коротком дне. К гиббереллину оказались отзывчивыми и КДДР: различные виды каланхоэ. Таким образом, гиббереллин в ряде экспериментов мог заменить длинный день для ДДР.

Более того, измерение уровня гиббереллинов в листьях показало, что на длинном дне содержание гиббереллина выше, чем на коротком. Чайлахян сделал вывод, что для цветения необходим гиббереллин.

Однако, обработка гиббереллинами КДР в условиях длинного дня не вызывало цветения: растения сильно вытягивали междоузлия, но продолжали вегетировать.

На основании этих результатов Чайлахян разработал гормональную теорию цветения растения. Флориген (стимул, вызывающий образование цветков) он "разбил" на два компонента: гиббереллины и гипотетические антезины. Для цветения необходимо одновременное присутствие обоих компонентов.(рис.7.42). У НР и гиббереллин, и антезин синтезируются конститутивно. У ДДР антезин все время присутствует в растении, а уровень гиббереллина повышается на длинном дне и происходит цветение. У КДР, наоборот, гиббереллина всегда достаточно для цветения, а антезин синтезируется только на коротком дне.

Более сложное объяснение было предложено для переходных групп растений: у них гиббереллин синтезируется на длинном дне, а антезин - на коротком. Различия между группами состоит в способности длительно депонировать гиббереллины и антезины. ДКДР образуют гиббереллины на длинном дне и могут их долго хранить. Антезины синтезируются на коротком, и быстро разрушаются, поэтому если мы дадим ДКДР сначала короткие, а затем - длинные дни, цветения не будет.

КДДР, наоборот, запасают антезины, но быстро разрушают гиббереллины. Поэтому для цветения необходимо сначала воздействие короткого дня, а затем - длинного (при обратной последовательности цветения не происходит).

Предложенная Чайлахяном модель известна под названием "гормональной теории цветения". Она, впрочем, не охватывает амфифотопериодичные и среднедневные ратения (см. выше). Усилия Чайлахяна и других экспериментаторов выделить универсальный гормон цветения - антезин - до сих пор не увенчались успехом. В последние годы, тем не менее, интерес к гормональной теории цветения Чайлахяна возрос в связи с открытием процессов транспорта высокомолекулярных веществ в растениях (м-РНК, белков, включая транскрипционные факторы, факторов сайленсинга некоторых генов и т.д.). Вполне возможно, что попытки Чайлахяна найти антезин не увенчались успехом только потому, что он искал низкомолекулярное соединение.

Отметим также, что гиббереллины играют не такую универсальную роль стимуляторов цветения, какая отводится им в гормональной теории Чайлахяна (см. выше). Например, при цветении ДДР сурепки решающим является накопление ауксинов на длинном дне. Многие озимые и двулетние ДДР (пшеница, колокольчик средний) нельзя заставить цвести с помощью гиббереллинов.

Гипотеза флоригена сыграла большую роль в исследованиях. Вопрос о том, сколько компонентов содержит флоральный стимул, и насколько эти компоненты похожи у разных растений, остается открытым.

Эффект прерывания ночи позволил Бортвику, Хендриксу и Паркеру (см. главу об открытии фитохрома) в 1950-х годах изучить физиологический спектр действия света. Для этого была построена установка, в которой яркий белый свет разлагался с помощью призмы и проецировал спектр на полосу 14 м длиной! Вдоль линии спектра были выставлены вазоны с короткодневным табаком. Длинную ночь прерывали световой вспышкой через призму. Оказалось, что % растений, у которых цветение подавляется, совпадает с физиологическим спектром прорастания семян салата-латука.

Эти данные навели исследователей на мысль, что в эффекте прерывания ночи ключевую роль играет фитохром. Эксперимент с последовательным освещением красным и дальним красным светом показал типичную К/ДК-обратимость (см. выше). Как и в случае с другими фитохромными ответами, при прерывании ночи важна последняя вспышка из серии. Если последняя вспышка была красной, ночь "прерывается", если последняя вспышка была дальней красной, то эффекта прерывания ночи нет.

Вывод Гарнера и Алларда о том, что длительность светлого времени суток не воспринимается растением, а важна только длительность ночи, оказался преждевременным. Если поместить КДРастения в условия искусственного освещения так, чтобы и день, и ночь оказались длинными (при этом суммарная длина суток оказывалась заметно больше 24 часов), растения не цветут. Это означает, что одной длинной ночи недостаточно, чтобы стимулировать цветение.

В опытах с фарбитис (см. выше) было показано, что у растений существуют внутренние часы, осциллятор с 24-часовой периодичностью. Растение условно делит сутки на две фазы: световую (фотофильную) и темновую (скотофильную). Свет должен попадать на "световую" фазу цикла, а темнота - на "темновую". Длина дня путем сравнения фазы осциллятора и световых стимулов. При прерывании ночи свет попадает на несоответствующую фазу осциллятора и поэтому растению кажется, что оно находится в условиях длинного дня.

О том, как происходит взаимодействие фитохромной системы с внутренними часами растения - см. выше (фитохром).

7.4.4. ТЕРМОПЕРИОДИЗМ. СТРЕСС-ПЕРИОДИЗМ.

7.4.4.1. Сезонная специализация растений.

В мягком субтропическом климате, где зима не бывает особенно холодной и продолжительной и осень плавно переходит в весну. Растения начинают рост в осенние дожди, и продолжают его до следующего лета. В силу генетической неоднородности, даже среди особей одного вида попадаются растения, начинающие вегетацию позже или раньше.

По мере продвижения растений в более высокие широты в середине влажного зимнего периода появляется неблагоприятный сезон низких температур. Тогда начинается специализация: одни растения прорастают весной после зимних холодов и цветут в том же теплом сезоне (т.е. сроки вегетации смещаются и сокращаются). Другие растения прорастают осенью и приспосабливаются к вынужденному покою в течение зимы. У них сроки вегетации более растянуты, влажное время года используется более полно. Но за это приходится "платить" новой адаптацией: до того момента, пока не окончились холода, цветение не наступает.

В мягком умеренном климате специализация не заходит глубоко, поэтому расы растения, взятые из этих мест, физиологически пластичны. В начале XX в. их называли "двуручками". Они могут цвести и в теплые, и в холодные зимы.

В умеренном климате с суровой зимой механизмы адаптации становятся более устойчивыми, выделяются две расы: озимая (вегетация начинается осенью, а для цветения нужно охлаждение) и яровая (растения не нуждаются в холоде для цветения). В случае злаков морфологические различия между озимыми и яровыми расами невелики, однако среди огородных капуст имеется большое морфологическое разнообразие форм. Например, кочанные капусты, брюссельская, кольраби относятся к "озимым" капустам, и для цветения необходим холодный период. Цветная капуста и брокколи цветут в год посадки и относятся к однолетним "яровым" капустам. В последние годы благодаря направленной селекции получены озимые формы цветной капусты и брокколи, которые образуют съедобные соцветия только после периода зимнего охлаждения (районированы в теплом климате Англии).

При продвижении в более сухие континентальные районы, где за летней засухой следует малоснежная длительная зима, озимые формы выпадают, и остаются только яровые как более приспособленные. Так, на территории Якутии или в горных районах Памира возможно выращивать только яровые скороспелые сорта хлебных злаков.

Параллельные изменения происходят по мере географического распространения родов растений из Средиземноморья в более суровые районы. Так, среди крокусов (сем.ирисовые), галантусов (сам. амариллисовые), безвременников (семю мелантиевые) в Средиземноморье распространены виды, цветущие и вегетирующие одновременно: с осени до весны (можно назвать их "двуручками". На Кавказе с более суровым климатом наблюдается специализация: часть видов осваивают нишу осеннего цветения (при этом вегетация и созревание семян приходятся на следующую весну), а другие целиком сдвигают ритм развития на весеннее время. В Средней Азии с ее более континентальным климатом и относительно сухой осенью осеннецветущие виды не выживают, распространяться могут только весеннецветущие виды. Таким образом, под контролем внешних условий сначала оказывается развитие фотосинтетического аппарата (сдвиг вегетации на весну и, следовательно, необходимость холодовой обработки для развития листьев). Развитие генеративной сферы при этом оказывается рассогласованным с развитием зеленых листьев - развитие цветков находится под регуляторным действием влаги. Когда суровая зима не позволяет сохраняться оплодотворенным завязям, (как и при сокращении благоприятного осеннего периода), выдвижение цветоносов из луковиц также ставится под контроль низких температур.

Интересно, что безвременники, цветущие осенью (родина - Кавказ), при пересадке на Кольский полуостров сдвигают цветение на весну: листья и цветки развиваются одновременно, что говорит о физиологической пластичности ритмов цветения.

Чем больше селективное давление климата, тем жестче физиологические механизмы, позволяющие выжить в этих обстоятельствах.

7.4.4.2. Термопериодизм: стратификация и яровизация.

7.4.4.2. Термопериодизм: стратификация и яровизация.

Кроме фотопериода у многих растений с неблагоприятным по температуре временем года есть дополнительные механизмы, позволяющие оценить, миновала ли угроза длительного понижения температур. Температурные явления также закономерно меняются в течение года и называются термопериодизмом.

Для весеннего прорастания семена многих растений умеренной зоны нуждаются в продолжительном воздействии низких температур. Это воздействие низких температур на семена называют стратификацией. Температурный диапазон стратификации лежит между 0╟ С и +10╟С, причем температура около +2╟С - +5╟С оказывается наиболее эффективной. Для восприятия температурного стимула семена должны получать достаточно влаги, иначе их чувствительность к стратификации резко падает.

Аналогичное явление было отмечено для другого физиологического ответа: образования цветков у двулетних растений (без понижения температур они не цветут). Явление стимуляции цветения низкими положительными температурами называют вернализацией или яровизацией. Явление яровизации было открыто в 1918 г. в Г.Гасснером.

Есть и другие явления, зависящие от низких температур. Например, растяжение междоузлий у подснежников, нарциссов, тюльпанов и гиацинтов приводит к появлению над почвой цветоносов. Рост заложившихся в луковицах листьев также можно вызвать обработкой низкими положительными температурами. Таким образом, прерывание состояния покоя у клубней и луковиц растений умеренного климата находится под контролем термопериодизма. Это явление было изучено голландскими исследователями под руководством проф. А.Х.Блау в 1930-х годах и положило начало промышленной выгонке луковичных растений в зимнее время.

Естественный процесс вернализации обычно происходит в конце зимы - начале весны. Длительность периода низкотемпературной обработки зависит от экологических условий, в которых привыкло жить изучаемое растение. Растения с продолжительной суровой зимой нуждаются в обработке в течение 1-2 месяцев (например, озимые сорта пшеницы, районированные в Нечерноземье). Растениям с мягкой короткой зимой достаточно 1-2 недель (например, ирис голландский, альстремерия и др.).

По температурному режиму растение узнает, что зима закончилась, и начинает рост. Если период низких положительных температур оказался недостаточным, для растения это означает кратковременную оттепель. В этих условиях активизации роста не происходит. Интересно, что процесс яровизации можно обратить на ранних стадиях: если вскоре после понижения температуры произошло потепление, то цветение озимых форм не наступает и процесс яровизации нужно начинать заново.

К яровизации растения оказываются чувствительными в разном возрасте. Так, у хлебных злаков воспринять пониженную температуру может даже набухшее зерно, тогда как у многих двулетних растений должна развиться достаточно крупная розетка листьев или формируется корнеплод с запасом питательных веществ (до этого яровизация не эффективна). Таким образом, двулетний режим роста является крайним выражением озимого образа жизни: вегетация начинается в начале лета, к осени накапливается запас питательных веществ, а для цветения нужна вернализация.

Обычно необходимость в низких положительных температурах коррелирует с фотопериодической реакцией: в вернализации нуждаются ДДР и КДДР (см. выше), что совпадает со световым режимом весной и в начале лета умеренных широт.

7.4.4.3. Опыты М.Х.Чайлахяна.

Чтобы выяснить, какие органы являются чувствительными к пониженным температурам, М.Х.Чайлахян использовал тот же подход, что и при изучении явления фотопериодизма. У корнеплодов свеклы перед холодовой обработкой срезали листья, а у контрольной группы оставляли. Оказалось, что даже без листьев растения воспринимают температурный сигнал. Этот вывод достаточно естественен, поскольку в районах с суровой зимой листья обычно отмирают.

Среди кандидатов на роль термочувствительного органа остались корни и меристемы побега. Чайлахян подвергал яровизации одну группу растений, а другую постоянно выращивал при высоких температурах. Затем он прививал почки от яровизированных растений на неяровизированные корни и наоборот. В результате зацветали только растения с яровизированными почками (рис. 7.43). Из этого Чайлахян сделал вывод, что чувствительным органом является меристема побега. Факторы яровизации не накапливались в корнях (иначе прививка на яровизированный корень приводила бы к индукции цветения).

Самым изящным экспериментом было частичное охлаждение неповрежденного растения с помощью муфт с термостатированной водой. При наложении холодной муфты на корень цветения не было, тогда как охлаждение почек (на корнях при высокой температуре) приводило к желаемым результатам.

Обработка двулетников гиббереллинами при высоких температурах выявила физиологическую неоднородность растений: у моркови, рудбекии, золотарника цветки образовывались под действием гиббереллина, тогда как свекла, колокольчик средний и пшеница не образовали цветков (хотя междоузлия были вытянутыми, что говорит о физиологической активности выбранных доз гиббереллинов).

По-видимому, под действием низких температур происходит сдвиг гормонального баланса, который приводит в закладке цветков и последующему цветению. Часто одной температурной обработки оказывается недостаточно, и растения нуждаются в последующем фотопериодическом стимуле.

7.4.4.4. Стресс-периодизм.

Если самым важным климатическим фактором является засуха, то растения выходят из состояния покоя только после того, как "убедятся", что опасность водного дефицита миновала. Для стимуляции роста им необходима определенная "порция засухи". Некоторые пустынные растения связывают ее с термопериодизмом. Для многих кактусов и литопсов период сухого низкотемпературного покоя стимулирует цветение. Воздействие засухи в комбинации с высокой температурой оказывается важной для закладки цветков у тюльпанов и гиацинтов. (Отметим, что реакция носит количественный характер).

У многих амариллисовых температура не оказывает заметного влияния на удлинение цветоноса. Этим растениям для полноценного цветения необходим водный дефицит как таковой, причем длительность стимула зависит от продолжительности периода засухи в природе. Эухарису, растущему в хорошо увлажненных местах тропической Америки достаточно 1 месяца, тогда как гиппеаструму, происходящему из полупустынного климата, нужно от 2 до 6 месяцев засухи. Без засухи заложенный в луковице цветонос не удлиняется и через некоторое время погибает.

Явление стресс-периодизма хорошо известно в садовой практике, однако мало изучено с точки зрения физиологических механизмов, которые лежат в его основе.

7.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Поскольку растение ведет прикрепленный образ жизни, важной стратегией существования является превентивная физиологическая реакция на климатические стрессы. Например, листопад должен совершиться до того, как снег создаст реальную механическую угрозу для целостности растения. С3 листья должны смениться на С4 до наступления засухи. Клубни и луковицы эфемероидов в дубравах должны перейти в состяние покоя до того, как освещенность под пологом леса упадет ниже критического уровня. Растение вынуждено рассчитывать сроки цветения так, чтобы плоды успели созреть во время благоприятного периоды и т.д.

Чтобы осуществить превентивную реакцию растение должно получать информацию из внешней среды. Значимыми для растения внешними факторами можно считать спектральный состав и интенсивность света, колебания температуры и увлажненности, механическое давление, направление вектора силы тяжести, доступность элементов минерального питания и др. Каждый из факторов воспринимается с помощью различных рецепторов, превращаясь в сигнал. Далее сигнал трансформируется и передается в виде "возмущения" гормональной системы, системы вторичных мессенждеров, активности генома, изменений метаболизма, поведения цитоскелета и т.п.

Разные группы клеток также служат сигналами внутри растения. Для того, чтобы рост был пропорциональным, развитие шло через определенные стадии, удовлетворялись первоочередные потребности каждого органа, растение также использует различные соединения в качестве сигналов.

Разнородные сигналы интергируются в растении так, чтобы выдать максимально адекватный ответ в создавшихся обстоятельствах. Чтобы оценить все "pro" и "contra", на биохимическом уровне существует взаимосвязь потоков информации, "перекрестный разговор" сигнальных систем. В одних случаях сигналы от разных систем подтверждают друг друга (например, длина дня и понижение температур), и тогда стимулы действуют как синэргисты, усиливая друг друга. Если растение оказалось в противоречивой, непривычной ситуации, то возникает антагонизм между сигналами.

Исследования гормональной системы привели к промышленному использованию стимуляторов и ингибиторов роста. Упростились процедуры укоренения и вегетативного размножения растений, урожай увеличился за счет применения гиббереллиновых препаратов. Устойчивость растений к стрессовым воздействиям и ряду патогенов в сельском хозяйстве повышают благодаря брассиностероидным препаратам. Применение ингибиторов роста (ретардантов), многие из которых являются антагонистами гиббереллинов и/или ауксинов, позволяет избежать такого нежелательного явления, как чрезмерное вытягивание и полегание побегов.

Понимание закономерностей роста и развития растений позволяет управлять этими процессами. Поиск, скрещивание и селекция рас культурных растений, отличающихся по физиологической реакции на фотопериод и термопериодизм, позволяет добиться "расшатывания" наследственных механизмов адаптации и выбрать наиболее подходящие формы для нового климата. Прием скрещивания географически удаленных рас был разработан и теоретически обоснован Н.И.Вавиловым, что позволило получить новые сорта сельскохозяйственных растений. Например, создание длиннодневных сортов риса позволило продвинуть эту культуру на север. А это, в свою очередь, имеет важное экономическое значение.

7.6. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И ПРОГРЕСС СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

7.6.1. Минеральные удобрения и зеленая революция.

Физиология растений окончательно оформилась как научное направление в XIX столетии. Выдающиеся ученые-химики, такие, как Ю.Либих, Д.И.Менделеев, Ж.Буссенго, предлагали применеять достижения химических наук к земледелию. Поразительно, насколько быстро эта идея была воплощена в жизнь. Если в 1840 г. вышла книга Либиха с формулировкой законов истощения почвы и теории возврата для зольных элементов, то уже с 1860-х годов немецкая химическая промышленность стала предлагать земледельцам первые минеральные удобрения: костную и фосфоритную муку, калийную соль. В начале XX века был разработан дешевый способ промышленной фиксации атмосферного азота. Параллельно физиологи растений интенсивно изучали потребности растений в элементах минерального питания, были разработаны знаменитые смеси Кноппа, Прянишникова, и др.

Результатом усилий физиологов растений было увеличение урожаев за счет широкого применения минеральных удобрений. Так, урожай пшеницы в Европе поднялся с 15 ц/га до 30 ц/га. Социальные следствия этой зеленой революции трудно переоценить. В результате стало возможным освободить часть людей из сельского хозяйства, усилилась урбанизация, возник приток рабочих рук на промышленные предприятия. Если до зеленой революции люди в большой степени были привязаны к земле, то после повышения урожайности они стали более мобильными. Численность населения стала расти более быстрыми темпами.

Первая зеленая революция имела и отрицателные следствия. Усилился сток элементов минерльного питания с полей в водоемы. (От избытка азота и фосфора происходит "взрывное" размножение фитопланктона, изменение качества пильевой воды, гибель рыб и др. животных). Усилился сток сульфатов из наземных агроценозов в реки и моря. Возросла подвижность элементов минерального питания в биосфере. На сегодня промышленная фиксация азота сравнима по масштабам с естественной фиксацей в биосфере.

7.6.3. Вторая зеленая революция.

Возможности увеличения урожая за счет применения минеральных удобрений были исчерпаны. Следующим направлением физиологии растений, позволившим увеличить урожайность, были исследования экологической физиологии, широко развернувшиеся в 1920-х годах. Открыты и изучены фотопериодизм, яровизация, усилился интерес к географическим расам растений. В нашей стране Всесоюзным Институтом Растениеводства при активном участии Н.И.Вавилова была создана богатейшая коллекция географических рас основных культурных растений. На базе этого физиологического многообразия можно было изучать устойчивости растений к различны неблагоприятным факторам (холоду, засухе, фитопатогенным организмам и др.).

Создание новых сортов на основе скрещивания географически удаленных рас растений позволило создать новые промышленные сорта пшеницы, картофеля многих культур. Был обнаружен эффект гетерозиса. В результате этой работы появились технологи, позволяющие повысить урожайность пшеницы еще в 2 раза (до 60ц/га). Это означает, что при той же площади пашни можно прокормить вдвое большее население.

В 1930-х-1940-х годах были открыты ауксины, за ними последовали другие фитогормоны. Это позволило сделать процессы вегетативного размножения растений более эффективными. Стали применять ИМК, гетероауксин (смесь индольных содинений с ауксиновой активностью).

Исследование синтетических аналогов и ингибиторов действия фитогормонов привело к созданию широкого спектра гербицидов - веществ, уничтожающих сорные растения. Изучение веществ, ингибирующих фотосинтез, пополнило список гербицидов фотодинамическими гербицидами. Применение гербицидов позволяет снизить затраты труда на борьбу с сорняками, а значит - снизить себестоимость сельскохозяйственной продукции, получить больше прибыли.

Использование гербицидов, к сожалению, имеет не только положительные, но и отрицательные стороны. Широкое применение гербицидов привело, например, к тому, что в Европе на грани гибели оказались такие полевые сорные растения, как Centaurea cyanus, Agrostemma, Adonis aestivalis, Chenopodium foliosum и др. Сегодня эти растения выращивают специально.

Одним из классов гербицидов яаляются дефолианты (вещества, способствующие опадению листьев). Дефолианты применяют на хлопковых плантациях для облегчения уборки урожая. Чрезмерное использование дефолиантов привело к загрязнению почв в Узбекистане. В 1960-х годах дефолианты были использованы как экологической оружие американскими войсками во Вьетнаме. Это привело к гибели лесов на большой территории, загрязнению почв и водоемов, вызвало экологические бедствия, продолжавшиеся несколько десятков лет.

Еще одной чертой второй зеленой революции была разработка средств защиты растений. Если во время первой заланой революции использовали препараты меди и серы, вызывающие загрязнение почвы тяжелыми металлами и закисление, то к середине XX века их сменили ароматические, гетероциклические, хлор- и фосфорорганические соединения (карбофос, дихлофос, печально знаменитый ДТТ и др.). Эти вещества действуют в более низкой концентрации, что позволяет снизить расходы на химическую обработку. Некоторые из этих веществ оказались слишком устойчивыми и плохо разлагались биотой после использования. Производство самого устойчивого из агентов - ДТТ - пришлось запретить. Следовые количества этого яда были обнаружены даже у дивотных Антарктиды, хотя ближайшие места применения этого химиката отделены от Анктартиды тысячами километров!

Появление новых химикатов в земледелии позволило выявить важную тенденцию: со временем наступает адаптация биоты к применяемому агенту, и приходится разрабатывать новые препараты для защиты с/х растений.

7.6.3. Биотехнология.

Открытие цитокининов стимулировало разработку методов культивирования клеток, тканей и органов растений in vitro. Пионерные разработки в этой области относятся к 1960-м годам. В биотехнологию органично вплелись исследования, проводимые в области минерального питания. Были разработаны более современные минеральные смеси, содержащие оптимальные для многих объектов концентрации макро- и микроэлементы. Наиболее известная смесь сдля культивирования in vitro - среда Мурасиге и Скуга, на разработку которой ушло около двух лет.

Было предложено несколько продуктивных идей технологического использования культуры клеток, тканей и органов растений in vitro.

1). Быстрое получение биомассы растительных клеток. В фазе экспоненциального роста в культуре растеительных клеток удвоение числа клеток может проиходить примерно за 1 сутки. Культивирование суспензионной культуры позволяет использовать крупномасштабное промышленное оборудование (ферментеры) для получения клеток растений, перейти от периодического к проточному культивированию.

За скорость, достигаемую при размножении клеток in vitro необходимо платить: в среду нужно добавлять сахарозу и другие органические вещества, минеральные соли, ауксины и цитокинины. Кроме того, весь процесс производства в ферментерах идет в стерильных условиях (дополнительные затраты). Поэтому главный вопрос, который возникает при масштабном культивировании растительных клеток - это вопрос рентабельности производства. Продукт должен иметь высокую стоимость.

Наибольшую ценность представляют продукты вторичного метаболизма, которые получают непосредственно из растений и используют как лекарства. Поэтому первым отечественным продуктом, который начали получать методами биотехнологии, была биомасса жень-шеня (Panax ginseng), используемая при изготовлении косметических средств и лекарственных препаратов. Разработка этой технологии велась в Институте Физиологии Растений под руководством Р.Г.Бутенко. В Японии ценным вторичным метаболитом, который производят в культуре in vitro является красный краситель шиконин из воробейника (Lithospermum).

Одна из проблем производства вторичных метаболитов методами биотехнологии - это низкое содержание продукта в биомассе (как правило, намного ниже, чем в естественном сырье). Но и этот недостаток можно превратитьв достоинство: в Японии освоен выпуск сигарет со сниженным содержанием никотина из биомассы табака.

Иногда выращивание биомассы в ферментерах оказывается убыточным. Так, при финансовой поддержке павительства в Германии был создан рекордно большой ферментер для выращивания растительных клеток (общей емкостью 75 000 литров), но с большим трудом удалось добиться рентабельности этого агрегата.

2) Оздоровление растений. Многие многолетние с/х растения страдают от вирусов. Проблема вирусов актуальна для садовой земляники, плодовых деревьев, декоративных растений. От вирусных заболеваний теряется до 30% урожая картофеля. Многие из вирусов распространяются по флоэмным элементам, и на этом свойстве основано оздоровление растений in vitro. Если из растения выделить меристему, в ней не будет дифференцированных флоэмных элементов, т.е. титр вирусов будет заметно снижен. Поддерживать изолированную меристему можнотолько в культуре in vitro. Повторяя многкратно выделение меристем, можно избавиться от вирусов полностью.

В европейских странах весь семенной фонд картофеля очищен от вирусов, и на территорию Европы нельзя ввозить не оздоровленные с/х растения. Тем не менее, после 4-5 лет культивирования в поле картофель снова поражается вирусами. Фермер поставлен в такие условия, что он вынужден каждые 4 года заменять семенной фонд картофеля на новый, оздоровленный. Оздоровленный картофель продают в форме микроклубней ( маленькие клубни, полученные на растениях in vitro). В первый год культивирования вырастает элитный посадочный материал, и только на второй год возможно коммерческое использование. Описанная технология является наукоемкой и довольно дорогостоящей, но она окупается прибавкой урожая.

3) Клональное размножение in vitro. Биотехнология позволяет увеличить коэффициент размножения растений. Например, если за вегетационный сезон от одного растения картофеля можно получить около 50 посадочных единиц, то в культуре in vitro того же результата можно добиться за 3-4 недели. Поскольку для размножения используют маленькие посадочные единицы, эту технологию часто называют микроразмножением.

Микроразмножение растений - также очень дорогая процедура, и продукт должен приносить прибыль. Поэтому в культуре in vitro размножают только дорогостоящие растения (например, орхидеи, новые сорта лилий, комнатные растения). Клональное микроразмножение позволяет быстрее размножить популярные растения и выбросить на рынок новинки селекции в кратчашие сроки (раньше конкурентов, выращивающих растений традиционными методами). Особенно развито размножение растений in vitro в Голландии, Польше, Таиланде, Японии. В России рентабельность микроразмножения ниже, поскольку приходится больше платить за отопление и использовать много электроэнергии для доращивания растений в теплицах.

4) Отдаленная гибридизация. Соматическая гибридизация.

При получении гибридов от дальнородтвенного скрещивания часто возникают проблемы. Например, программы развития зародышей двух разных видов могут оказаться рассогласованными, поэтому эмбрионы при межвидовой гибридизации часто абортируются, и семян не образуется.

Техника культивирования зародышей in vitro помогает поддержать жизнь таких зародышей и получить потомство от скрещивания. Процесс оплодотворения контролируют в поле зрения микроскопа с помощью видеотехники, и на определенном этапе микроманипулятором изымают зародыш на ранних стадиях развития и доращивают в культуре in vitro. Этим методом получены многие гибриды декоративных растений (например, гладантера: гибрид гладиолуса и ацидантеры). В тропических странах этим методом получают гетерозисные гибриды F1 у бананов (у большинства сортов зародыши рано абортируются).

Еще более впечатляющего эффекта можно достичь путем соматической гибридизации. В стерильных условиях из соматических клеток разных видов выделяют протопласты (живое содержимое клетки без клеточной стенки). Далее либо с помощью микроманипулятора, либо путем химической обработки добиваются слияния соматических клеток разных видов. Из гибридных протопластов получают новые растения.

Все технологии, связанные с применением методов культуры in vitro являются интеллектоемкими производствами, требующими специального оборудования и квалифицированного персонала.

7.6.4. Генная инженерия растений.

7.6.4. Генная инженерия растений.

Разработанные к 1980-м годам технологии культивирования растительных объектов in vitro дали толчок генной инженерии растений. Получение генетически модифицированных растений сталов возможным только после того, как были разратотаны методики получения целого растения из группы клеток (или даже из одной клетки), свойство тотипотнетности растительных клеток стало возможным применять на практике.

Существует несколько практических приложений генной инженерии для нужд сельского хозяйства.

1) Растения, устойчивые к насекомым. Для создания устойчивых к насекомым растений в их геном встраивают ген токсина, выделенный из Bacillus thuringiensis (этот микроорганизм вызывает болезни у чешуекрылых и развиваясь в организме насекомого, выделяет ВТ-токсин). Считается. Что токсин не оказывает действия на человека. Растения, способные к синтезу токсина, проявляют устойчивость к некоторым вредителям. Это позволяет снизить применение пестицидов на полях, что снижает загрязнение окружающей среды.

Наиболее безопасные проекты связаны с трансгенным хлопчатником, синтезирующим ВТ-токсин. Устойчивый к насекомым трансгенный рапс позволит получать техническое растительное масло с меньшими затратами и с меньшим вредом для окружающей среды (рапс сегодня - одна из наиболее химизированных культур). В качестве возможных следствий производства трансгенных пищевых растений, проявляющих устойчивость к насекомым, можно указать пищевую аллергию, которую может вызвать ВТ-токсн (новый белок в пище). К экологическим следствиям можно отнести возникновение устойчивости к ВТ-токсину, которое может происходить в популяциях насекомых-вредителей при широком применении трансгенных растений.

2) Улучшение качества пищевых продуктов. Многие растительные продукты содержат недостаточные количества незаменимых аминокислот и витаминов. Этот недостаток можно исправить, внедряя в растения гены, ответственные за биосинтез витаминов или модифицированные гены запасных белков, в которых чаще "употребляются" кодоны незаменимых для человека аминокислот (прежде всего - лизина). В настоящее время получены трансгенный рис с повышенным содержанием каротиноидов, трансгенная соя с улучшенным белковым составом.

В растительной пище могут содержаться вредные для здоровья вещевтва. Например, около 10% японцев страдают от аллергии на запасной белок зерновок риса. Генная инженерия позволяет получить рис, в котором "выключен" ген соответствующего белка. Такие трансгенные растения позволяют вернуть традиционный продукт в рацион аллергиков.

3) Улучшение товарных качеств. Изучение генетической регуляции развития цветка позволяет быстро создавать махровые сорта разнообразных декоративных растений, которые пользуются большим спросом на рынке. Кроме того, в растения можно ввести гены, отвечающие за синтез пигментов и получить необычную окраску (например, получены трансгенные петунии с цветками желтого цвета). Интересным представляется экспрессия втрансгенных растениях белков, светящихся в темное, или флуоресцирующих белков, что придаст растениям принципиально новые декоративные качества.

4) Растения, устойчивые к гербицидам. Одной из технологий, позволяющей удешевить процесс борьбы с сорняками, является получение гербицид-устойчивых культурных растений. По новой технологии обработку полей неселективными гербицидами можно проводить весь сезон, что улучшает результаты их применения, сокращает расходы. Не удивительно, что такие проекты и реклама трансгенных гербицид-устойчивых растений организуются при финансовой поддержке фирм-производителей гербицидов.

Данное направление генной инженерии таит ряд экологических опасностей. Главная из них возможное накопление гербицидов (или продуктов их детоксикации) в с/х продуктах. Если для технических культур это сравнительно безопасно, то использовать в пищу обработанные гербицидами трансгенные растения может оказаться опасным.

Заметим, что по действующему на сегодня законодательству США производитель продуктов питания должен просто указывать, что в состав входит трансгенная продукция только втом случае. Если в продукте содержатася трансгенные ДНК или белки. Если содержние белков и ДНК пренебрежимо мало, то такая маркировка не обязательна. При использовании гербицид-устойчивых трансгенных растений гораздо важнее указывать остаточное содержание гербицида (или продуктов его деградации) независимо то того, есть в продукте ДНК (белок) или нет.

Вторая опасность - это "утечка" генов устойчивости к гербицидам из культивируемых растений в близкородственные растения естественных биоценозов. В Европе проблеме "генной безопасности" уделяют большое значение, поскольку на ее территории растет много видов, близких к культурным растениям. Показано, что признаки устойчивости могут переноситься при близкородственном опылении. "Утечка генов" может привести к возникновению "суперсорняков", устойчивых к применяемому гербициду, и технологию придется снова менять.

Третья опасность - передозировка гербицидов. Гербицид-устойчивость позволяет вносить избыток этих агентов на поля без видимого вреда для них (в традиционной технологи выращивания это невозможно - культурные растения погибнут вместе с сорняками). Уже сегодня многие гербициды признаны опасными для рыб, моллюсков и др. животных. Сток гербицидов с полей в водоемы с применением новой технологии, несомненно, усилится.

Таким образом, использование гербицид-устойчивых трансгенных растений является наиболее опасной из разрабатываемых технологий.

5) Повышение устойчивости растений. Для нашей страны актуально получение морозостойких сортов растений. Важно придать теплолюбивым культурам устойчивость к заморозкам. Основным повреждающим агентом при замерзании является кристаллический лед. Для предотвращения его образования некоторые рыбы и насекомые выделяют особые гидрофильные белки. Гены этих белков можно перенести в растения, и их морозостойкость повысится.

Устойчивость к засухе и засолению определяется сложным взаимодействием многих генов. Поэтому создание трансгенных растений, устойчивых к засухе/засолению представляется довольно сложной задачей. (Генная инженерия работает с отдельными генами, а не с большими комплексами генов).

Ведутся работы по созданию растений, устойчивых к окислительному стрессу. Гены, ответственные за синтез супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы и др. ферментов под сильными промоторами внедряют в растения, что повышает их устойчивость к свободнорадикальным процессам. Возможно, эти разработки окажутся актуальными для высокогорных областей с высокой UV-радиацией. По-видимому, эти растения окажутся менее чувствительными к радиоактивным загрязнениям.

6) Биосинтез инсулина, антител и др. белков для нужд медицины. Производство генно-инженерных белков в трансгенных клетках бактерий или дрожжей практикуется уже достаточно давно. Однако, возникает проблема правильной можификации таких белков в бактериальных или дрожжевых клетках. Часто белок так и не принимает нужной конформации или слегка отличается по аминокислотному составу, что нежелательно. Растения являются эукариотными органзмами, достаточно близкими к животным биохимически, поэтому было предложено получать белки для нужд медицины из трансгенных растений.

Поскольку организовать выращивание растений дешевле, чем выращивание бактерий или дрожжей, а получаемый пробукт будет более качественным, можно ожидать большого экономического эффекта от внедрения этой технологии. В медицинской практике используется не вся биомасса растения, а выделенный из нее индивидуальный компонент (белок), т.е. препарат проходит предвартельную очистку и должен быть безопасным для здоровья людей.

Подводя итог сказанному, можно заметить, что несмотря на многочисленные запреты и дискуссии, поднятые средствами массовой информации, практическое применение трансгенных растений уже началось. Оценка возможных рисков должна проводиться на основании анализа всей используемой технологии. Для технических и декоративных культур риск применения трансгенных растений минимален. В тех случаях, когда технология действительно экологически опасна, нужны действенные меры по контролю качества продукции и оценке отдаленных последствий ее применения.

Реклама на сайте