Гормональная система регуляции

    Слово гормон произошло от греческого слова hormaein‚ которое означает «возбуждать». Однако сейчас известно‚ что многие гормоны оказывают тормозящее действие. Как уже говорилось‚ гормональная система растений представлена 5-ю основными группами веществ: ауксины‚ цитокинины‚ гиббереллины‚ абсцизины‚ этилен. В последнее время к гормонам относят брассиностероиды‚ жасмоновую и салициловую кислоты‚ системин.

 

Ауксины

Одни из первых экспериментов по регуляции роста у растений были выполнены Чарльзом Дарвином и его сыном Фрэнсисом и изложены в работе «Сила движения у растений»‚ опубликованной в 1881 г. Дарвины систематически наблюдали движение (изгибание) растений по направлению к свету (так называемый фототропизм), используя проростки канареечника и овса. Они показали, что если закрыть верхнюю часть колеоптиля цилиндром из фольги или полой стеклянной трубкой, зачерненной тушью, и осветить растение сбоку, то характерного изгибания не произойдет. Однако при использовании прозрачных стеклянных трубок искривление происходило как обычно. Согласно Дарвинам, эксперименты показали существование «средства сообщения между верхушкой, т. е. тканью, воспринимающей световой стимул, и остальной частью колеоптиля, где осуществляется ростовой изгиб. И далее они формулируют: «Мы должны сделать заключение, что если проростки освещаются сбоку, то от верхней их части к нижней передается какой-то стимул, заставляющий последнюю изгибаться».

В 1926 г. голландскому физиологу растений Фрицу В. Венту удалось выделить этот «стимул» из верхушек колеоптилей. Это химическое вещество Вент назвал ауксином, от греческого слова auxein — «увеличивать». В 1935 году это вещество было идентифицировано как индолил-3-уксусная кислота (ИУК).

ИУК очень сходна с аминокислотой триптофаном (рис.5). Триптофан является пред предшественником ИУК в живом растении; при этом известны четыре пути биосинтеза ИУК, каждый со своим посредником. Различные группы растений используют неодинаковые пути образования ИУК из триптофана. Кроме того, некоторые растения, такие, как кукуруза, используют различные пути на разных стадиях развития.

 

 

Рис.5.Индолил-3-уксусная кислота

 

Ауксин образуется в кончиках колеоптиля злаков и в верхушках побегов. Хотя ИУК была найдена и в кончиках корней, есть много данных, указывающих на то, что она транспортируется сюда по проводящим тканям из основания корня. Большое количество ИУК, возможно, содержится в зародышах; кроме того, она обнаружена в молодых листьях, цветках и плодах.

Ауксин активно транспортируется от верхушки побега к основанию растения, т. е. в базипетальном направлении. Передвижение скорее происходит по ткани в целом, чем по проводящим элементам ксилемы и флоэмы (соответственно сосудам и ситовидным трубкам). Транспорт, предположительно, связан с взаимодействием ИУК и плазматических мембран растительных клеток.

Ауксин оказывает разнообразное влияние на растение в зависимости от времени воздействия, вида растения и особенно от типа ткани. Подобно многим другим физиологически активным соединениям, ауксин токсичен в высоких концентрациях.

Ауксин активирует деление и растяжение клеток, необходим для формирования проводящих пучков и корней‚ способствует разрастанию околоплодника. Ткани, обогащенные ауксином, обладают аттрагирующим действием, т. е. способны притягивать питательные вещества. В ряде случаев обработка ауксином задерживает процессы старения тканей и органов. Ауксин обусловливает явление апикального доминирования, т. е. тормозящее влияние апикальной почки на рост пазушных почек. Первостепенную роль играет ИУК в ростовых движениях — тропизмах и настиях.

Проникая в клетки, ИУК связывается со специфическими рецепторами, оказывая влияние на функциональную активность мембран полирибосом и работу ядерного аппарата. Установлено, что в плазмалемме ауксин индуцирует работу Н⁺-помпы‚ в результате чего матрикс клеточных стенок закисляется. Это приводит к усилению активности кислых гидролаз и размягчению клеточных стенок, что является необходимым условием для роста клеток растяжением. Включение Н⁺-помпы усиливает поглотительную активность тканей, обогащенных ауксином (аттрагирующий эффект). Предполагается, что поступление Са²⁺ в клетку способствует усилению секреции кислых гидролаз и полисахаридов, необходимых для дальнейшего роста клеточных стенок.

Комплекс фитогормона с рецептором, поступая в ядро, активирует синтез всех форм РНК, в том числе матричных, что в свою очередь приводит к формированию новых полирибосом и синтезу белков в цитоплазме.

 

Цитокинины

Вещества, необходимые для индукции деления растительных клеток, получили название цитокининов. Впервые в чистом виде фактор клеточного деления был выделен из автоклавированного препарата ДНК спермы сельди (К. Миллер, Ф. Скуг и др., 1955). Это вещество было идентифицировано как 6-фурфуриламинопурин (кинетин). Природный цитокинин из незрелых зерновок кукурузы — зеатин — в 1963 г. получил

Д. Летам:

 

 

В настоящее время цитокинины обнаружены у микроорганизмов, водорослей, папоротников, мхов и других высших растений. Наиболее богаты ими развивающиеся семена и плоды, а также меристематически активные участки. Установлено, что основное место синтеза цитокинина у вегетирующих растений — апикальные меристемы корней. Из корней цитокинины пассивно транспортируются в надземные органы по ксилеме.

Все природные цитокинины — производные изопентениладенина.

Цитокинины индуцируют деление клеток, однако это их действие наблюдается лишь в присутствии ауксина. Обработка цитокинином вместе с ИУК побуждает дифференцированные клетки растений снова перейти к делению. У семядолей тыквы и листьев фасоли цитокинин активирует рост клеток растяжением. В культуре каллусной ткани цитокинин при повышенных концентрациях (0,5 — 1 мг/л) индуцирует образование побегов, у протонемы мха он способствует развитию гаметофора.

К.Мотес и сотрудники показали, что обогащение тканей цитокинином предотвращает распад хлорофилла и деградацию внутриклеточных структур у изолированных листьев. Эти же авторы установили, что участок изолированного листа, обработанный цитокинином (кинетином), становится зоной притяжения меченых аминокислот и других метаболитов. Таким образом, цитокинин необходим для нормального развития листа и для поддержания его аттрагирующей способности.

На молекулярном уровне цитокинин в комплексе со специфическим белковым рецептором усиливает активность РНК-полимеразы и матричную активность хроматина‚ при этом увеличиваются количество полирибосом и синтез белков, в том числе некоторых ферментов, в частности нитратредуктазы. Имеются данные о действии цитокинина на транспорт К⁺ Н⁺ и Са²⁺.

 

Гиббереллины

Японский исследователь Е.Куросава в 1926 г. установил, что культуральная жидкость фитопатогенного гриба Gibberella fujikuroi содержит химическое вещество, способствующее сильному вытягиванию стеблей у растений. Т.Ябута (1938) выделил это вещество в кристаллическом виде и назвал его гиббереллином. В 1954 г. англичанин Б.Кросс расшифровал структуру гибберелловой кислоты — тетрациклического дитерпеноида:

 

 

 

В настоящее время обнаружено более 60 различных гиббереллинов кислой и нейтральной природы. В связи с большим количеством открытых гиббереллинов был введен шифр ГА или просто А. Согласно этой номенклатуре гибберелловая кислота стала обозначаться как ГА₃.

ГА и ГА-подобные вещества обнаружены у грибов, водорослей и высших растений. Наибольшее количество гиббереллинов у высших растений содержится в незрелых семенах. Гиббереллины синтезируются главным образом в листьях, а также в корнях. Свет стимулирует образование ГА. Транспорт ГА происходит пассивно с ксилемным и флоэмным током. Как и все полиизопреновые соединения, ГА синтезируются из ацетил-СоА через мевалоновую кислоту и геранилгераниол; ближайший предшественник ГА — каурен. Связанные в виде гликозидов ГА являются запасной и транспортной формами.

Действие ГА на растения наиболее типично проявляется в удлинении их стебля. Особенно наглядно это прослеживается у карликовых растений и у длиннодневных растений, находящихся в фазе розетки. У последних гиббереллин способствует образованию цветоноса, а часто и зацветанию. Места действия ГА — апикальные и интеркалярные меристемы, где под влиянием этого фитогормона активируется деление клеток, ускоряется также растяжение клеток, однако непосредственно на этот процесс ГА действует слабо. Гиббереллины не стимулируют рост корня, а в повышенных концентрациях даже ухудшают его состояние. Как правило, добавки ГА не требуется и при выращивании культуры тканей. Обработка гиббереллином выводит семена и клубни некоторых растений из состояния покоя.

Активирующее действие ГА на синтез нуклеиновых кислот и белков было выявлено у многих растительных объектов. Наиболее важные результаты были получены при использовании алейронового слоя эндосперма зерновок ячменя. В этом объекте пол действием гиббереллина индуцируется синтез матричных РНК, которые кодируют образование α-амилазы и некоторых других гидролаз. Как и другие фитогормоны, ГА прежде всего взаимодействует с цитоплазматическим рецептором белковой природы. Показано также, что гиббереллин активирует ферменты, ответственные за синтез фосфолипидов, входящих в состав мембран, образование гранулярного ЭР и секрецию ферментов. В тканях, обработанных гиббереллином‚ как правило‚ возрастает содержание ИУК.

 

Абсцизины

В 1961 г. В.Лью и Х.Карнс из сухих зрелых коробочек хлопчатника выделили в кристаллическом виде вещество, ускоряющее опадение листьев, и назвали его абсцизином (от англ. abscission — отделение, опадение). Аналогичная работа была проделана в лаборатории Ф.Эддикотта; полученное ими вещество ускоряло опадение коробочек хлопчатника и ингибировало рост отрезков колеоптилей, индуцированный ИУК.

Ф.Уоринг в др. (1963) из листьев березы выделили ингибитор роста, который вызывал состояние покоя у почек растущих побегов, назвав это соединение дормином (от англ. dormancy — покой). В дальнейшем оказалось, что дормин и абсцизин — одно и то же вещество. Молекулярная структура абсцизина (абсцизовой кислоты) была установлена в 1963 г. одновременно Окумой и др. и Корнфортом и др. Абсцизовая кислота (АБК) оказалась сесквитерпеном (С₁₅):

 

                  

 

 

 

АБК обнаружена у покрытосеменных и голосеменных растений, а также у папоротникообразных, хвощей, мхов. У водорослей и печеночных мхов АБК отсутствует и ее функцию выполняет лунуларовая кислота — соединение, относящееся к другому классу веществ, АБК не найдена также у грибов и бактерий. Богаты АБК старые листья, зрелые плоды, покоящиеся почки и семена.

Абсцизин синтезируется главным образом в листьях, а так же в корневом чехлике двумя путями: 1) из мевалоновой кислоты 2) непосредственно путем распада каротиноидов. В растительных тканях найдена связанная форма АБК — сложный эфир абсцизовой кислоты и D-глюкозы. Перемещение АБК в растениях наблюдается как в базипетальном, так и в акропетальном направлениях в составе ксилемного и флоэмного сока.

В большинстве случаев АБК тормозит рост растений. Причем этот фитогормон может выступать антагонистом ИУК, цитокинина и гиббереллинов. Однако в некоторых случаях АБК функционирует как активатор: она стимулирует развитие партенокарпических плодов у розы, удлинение гипокотиля огурца, образование корней у черенков фасоли.

АБК — сильный ингибитор прорастания семян и роста почек и накапливается в них при переходе в состояние физиологического покоя. Увеличение содержания АБК в тканях приводит к формированию отделительного слоя в черешках и плодоножках и опадению листьев и плодов. Опадение тесно сопряжено с процессами старения листьев и созревания плодов. АБК ускоряет распад нуклеиновых кислот, белков, хлорофилла.

Одна из наиболее важных функций АБК — ее участие в механизмах стресса. Абсцизовая кислота быстро накапливается в тканях при действии на растение неблагоприятных факторов внешней среды, особенно при водном дефиците, вызывая быстрое закрывание устьиц, что снижает транспирацию. Предполагается, что АБК, вырабатываемая корневым чехликом и тормозящая рост корня растяжением, участвует в механизме тропизмов корней.

Установлено, что абсцизовая кислота может ингибировать синтез ДНК, РНК и белков. Наряду с этим она способна быстро воздействовать на ряд физиологических процессов. Закрывание устьиц после обработки АБК наблюдается уже через З мин, торможение ауксинзависимого выделения ионов Н⁺ и растяжения отрезков колеоптилей овса — через 4—5 мин. Предполагается, что АБК ингибирует функциональную активность Н⁺-помпы, что может иметь многообразные последствия.

 

Этилен

Газ этилен в низких концентрациях (0,04— 1,0 мкл/л) обладает сильным морфогенетическим действием на растения. Впервые физиологический эффект этилена на растения был описан Д.Н.Нелюбовым (1901), который обнаружил, что у этиолированных проростков гороха этилен вызывает «тройную реакцию» стебля: ингибирование растяжения, утолщение и горизонтальную ориентацию. В 20-х годах было показано, что этилен способен ускорять созревание плодов (Ф.Денни и др.).

Этилен образуется некоторыми бактериями, грибами и многими растительными организмами. Наибольшая скорость синтеза этилена наблюдается в стареющих листьях и в созревающих плодах. Выделение этилена растениями тормозится недостатком кислорода (кроме риса) и может регулироваться светом. У высших растений этилен синтезируется из метионина. Этилен перемещается с транспирационным током. Концентрация этилена в тканях контролируется скоростью его синтеза. Газ свободно диффундирует по межклетникам в окружающую среду.

Этилен ингибирует удлинение проростков, останавливает рост листьев (у двудольных) и вызывает задержку митозов. Все эти явления устраняются повышенными концентрациями СО₂. Удлинение стебля тормозится из-за изменения направления роста клеток с продольного на поперечное, что приводит к утолщению стебля. Обработка этиленом индуцирует корнеобразование на стебле. У некоторых растений этилен вызывает эпинастию (опускание) листьев. В то же время у многих видов он ускоряет прорастание пыльцы, семян, клубней и луковиц.

Гормон тормозит полярный транспорт ауксина и способствует образованию его конъюгатов. По-видимому, именно с этим связана способность этилена усиливать процессы старения, опадения листьев и плодов, устранять апикальное доминирование. Как уже отмечалось, этилен ускоряет созревание плодов. Резко усиливается его выработка при стрессе и повреждении тканей (стрессовый этилен). Повышение концентрации ауксина (и цитокинина) также активирует продукцию этилена.

Механизм действия этилена изучен недостаточно. Возможно, он влияет на состояние цитоскелета, на взаимосвязь мембран‚ микротрубочек и микрофиламентов.

 

Брассиностероиды

Впервые в пыльце рапса и ольхи были обнаружены вещества, обладающие регулирующей рост активностью и названные брассинами. В 1979 г. было выделено активное начало (брассинолид) и определено его химическое строение. Для получения 4 мг кристаллического вещества было переработано 4 кг пыльцы рапса, собранной пчелами. Оказалось, что это вещество стероидной природы с молекулярной формулой С₂₈Н₄₈О₆. В дальнейшем оказалось, что активностью обладает и ряд сходных соединений (эпибрассинолид‚ гомобрассинолид). Общее название этой группы - брассиностероиды.

В настоящее время известно 60 брассиностероидов. Эти соединения содержатся в различных органах растений, причем наиболее высоким содержанием отличается пыльца. Получено большое количество мутантов с нарушенным синтезом брассиностероидов. Это позволило проследить этапы их биосинтеза, выделить участвующие в нем ферменты и кодирующие их гены. Получены карликовые мутанты, рост которых нормализуется при экзогенном внесении эпибрассинолида. Вместе с тем известны карликовые мутанты, не чувствительные к брассинам. Это связано с нарушением в системе восприятия или передачи соответствующего сигнала. В последнее время показана способность брассиностероидов к индуцированию экспрессии ряда генов, в частности регулируемых светом. Высказывается мнение, что свет осуществляет свое действие путем влияния на синтез брассиностероидов или изменения чувствительности к ним.

Было показано, что обработка брассиностероидами оказывает резкое стимулирующее влияние на увеличение длины и толщины второго междоузлия проростков фасоли, усиливая как деление, так и растяжение клеток. Опыты с мутантами подтверждают преимущественное влияние брассиностероидов на рост растяжением. Обработанные растения фасоли в дальнейшем отличались увеличенными размерами всех органов и повышенным сбором семян (Митчелл). Брассиностероиды вызывают дифференциацию ксилемы, замедляют старение и опадение листьев. Имеются данные, что с помощью обработки брассиностероидами можно повысить устойчивость растений к неблагоприятным условиям. Возможно, действие брассиностероидов на повышение устойчивости растений связано с усилением синтеза жасмоновой кислоты.

В последнее время в ряде работ указывается на значение жасмоновой кислоты как регулятора роста растений. Жасмоновая кислота, природный регулятор роста растений ингибиторного типа, производное жирных кислот. Обнаруживается практически во всех органах растений, у разных видов, хотя получены мутанты (арабидопсиса), не чувствительные к жасмоновой кислоте. По спектру действия сходна, хотя и не полностью, с абсцизовой кислотой. В растениях активная жасмоновая кислота нередко выявляется в виде метилового эфира. Метиловый эфир жасмоновой кислоты — летучее соединение с характерным запахом некоторых цветов и фруктов (жасмина и др., отсюда название), используется в парфюмерной промышленности. Биосинтез жасмоновой кислоты происходит при распаде мембранных липидов с освобождением линоленовой кислоты. Жасмоновая кислота образуется в растениях из мевалоновой кислоты. Синтез жасмоновой кислоты начинается в хлоропластах, продолжается в пероксисомах и заканчивается в цитоплазме.

Жасмоновая кислота тормозит прорастание семян, способствует старению листьев и формированию клубней, стимулирует синтез некоторых защитных ферментов, а также специфических белков при развитии семян. Имеются данные, что жасмоновая кислота регулирует развитие пыльцы, индуцирует созревание плодов, активирует гены, кодирующие ингибиторы протеаз. Особую роль жасмоновая кислота играет в защитных реакциях растений. Поранение и патогены индуцируют синтез жасмоновой кислоты. Жасмоновая кислота в свою очередь индуцирует синтез специфических белков фитоалексинов. Последняя подвергается ряду ферментативных превращений, включающих окисление, циклизацию и сокращение длины углеводородной цепочки. При атаке фитопатогенов или воздействии ультрафиолета на растения жасмоновая кислота оказывает защитное действие, что открывает перспективы ее практического использования.

По мнению многих авторов к веществам гормональной природы относится салициловая кислота‚ являющаяся стрессовым гормоном растений. Впервые салициловая кислота была выделена из коры и листьев ив‚ где содержится в значительных количествах. При действии патогенов содержание салициловой кислоты повышается в десятки раз. Образуется салициловая кислота в серии реакций из аминокислоты фенилаланина. Повышение содержания салициловой кислоты вызывает образование из нее эфира глюкозы‚ который откладывается в клеточных стенках и гидролизуется при инфицировании патогенами. Считается‚ что флоэмоподвижная салициловая кислота играет важную роль в выработке у растений устойчивости к патогенам.

Внимание исследователей привлек сравнительно небольшой полипептид‚ состоящий из 18 аминокислотных остатков‚ названный системином. Ряд авторов признали его первым идентифицированным фитогормоном полипептидной природы. Интенсивное образование системина‚ который сначала считали раневым сигналом‚ происходит при механическом повреждении тканей растений‚ действии на растение различных патогенов. В связи с этим системин может считаться стрессовым фитогормоном. Системин является продуктом частичной деградации более крупного предшественника - просистемина‚ состоящего из 200 аминокислотных остатков. Системин – это флоэмомобильный полипептид. Обнаружено‚ что экзогенный системин вызывает активацию различных сигнальных систем растительных клеток

 

Все системы межклеточной регуляции - трофическая‚ электрофизиологическая‚ гормональная – тесно взаимосвязаны между собой. Каждая из этих систем действует на клетки через системы внутриклеточной регуляции‚ т.е. изменяя функциональную активность ферментов и мембран‚ влияя на интенсивность и направленность синтеза нуклеиновых кислот и белков. Таким образом создается единая иерархическая система регуляции‚ определяющая взаимодействие всех частей растения.

Однако взаимодействие частей еще не обеспечивает целостного поведения растительного организма. Необходима еще централизация управления в каждый данный период онтогенеза. Известно‚ что растение имеет четко выраженную биполярную структуру‚ которая создается полюсами – верхушками побега и корня. Они являются зонами ткане- и органообразования‚ сенсорными и аттрагирующими (притягивающими метаболиты) зонами. Верхушка вегетативного побега‚ куда входят апикальная меристема и развивающиеся листья‚ ингибирует рост боковых почек‚ индуцирует образование проводящих пучков и корнеобразование‚ влияет на ориентацию листьев‚ рост корней. Кончик корня тормозит закладку боковых корней‚ индуцирует образование и рост стеблевых почек. Т.о. верхушка побега и верхушка корня‚ которые в течение всего онтогенеза сохраняют свойства эмбриональных тканей‚ являются доминирующими центрами‚ которые оказывают решающее влияние на развитие других тканей. В основе влияния доминирующих центров на другие части целого растения лежит принцип создания физиологических полей (физиологических градиентов). Свойство полярности хорошо известно у растений. Оно выражается в градуальном увеличении или уменьшении вдоль оси растения осмотического давления‚ величины рН‚ концентрации различных веществ‚ активности ферментов‚ интенсивности дыхания. У высших растений полярность создается, прежде всего, градиентами фитогормонов.

 

«Вода! У тебя нет ни вкуса‚ ни цвета‚ ни запаха‚ тебя невозможно описать… Нельзя сказать‚ что ты необходима для жизни‚ ты сама жизнь… Ты самое большое богатство в мире. Ты - божество‚ которое так легко спугнуть».

Антуан де Сент-Экзюпери

 

ВОДНЫЙ ОБМЕН РАСТЕНИЙ