Фитогормоны и их роль в развитии и размножении растений

     Рецепторы этилена по своей структуре сходны с рецепторами цитокининов. Исследования проводились на мутантах арабидопсиса, нечувствительных к этилену. Был выделен соответствующий ген ETR₁ (триплетный ответ на этилен). Этот ген кодирует сенсорную гистидинкиназу, сходную с рецептором цитокининов. Связывание этилена с рецептором происходит с участием меди. Дальнейшие исследования показали, что этилен может связываться с пятью аналогичными белками. Все они относятся к его рецепторам. Распределение различных рецепторов этилена тканеспецифично. Сигнал от всех рецепторов передается на протеинкиназу и далее через МАР-киназный каскад. Это путем фосфорилирования активирует фактор регуляции транскрипции и индукцию генов. Вместе с тем есть данные, что в передаче этиленового сигнала от рецептора на MAP — киназы участвуют G-белки. О рецепторе гиббереллинов известно мало, но предполагают, что, по-видимому, он находится на поверхности клеток. Наиболее изучен механизм действия гиббереллинов на образование ос-амилазы и других гидролитических ферментов в алейроновом слое прорастающих семян. Показано, что гиббереллин влияет на синтез а-амилазы de novo на уровне транскрипции. Фактор транскрипции связывается с ДНК на особом гиббереллинчувствительном участке — промоторе. Мутация в этом участке приводит к потере способности экзогенного гиббереллина индуцировать экспрессию а-амилазы. Установлена зависимость секреции уже образовавшегося фермента от содержания кальция и кальцийсвязывающего белка — кальмодулина. Рецептор АБК не идентифицирован. Но опыты с инъекцией АБК в плазмалемму показали, что рецептор находится на поверхности мембраны. Не исключено наличие второго рецептора, расположенного внутри мембраны. Имеются данные, что АБК оказывает влияние на фактор регуляции транскрипции. Таким образом, взаимодействие с гормоном меняет конформацию рецептора, переводя его в активированное состояние. Активированные мембранные рецепторы передают сигнал внутрь клетки с помощью тех или иных каскадных механизмов с участием вторичных посредников. Передаваемый сигнал непосредственно взаимодействует с промоторной областью ДНК и при участии фактора регуляции транскрипции вызывает экспрессию генов.

     Влияние фитогормонов на новообразование белков-ферментов может осуществляться и на постгранскрипционном уровне. В частности, показано значение в этом процессе гиббереллина. Фитогормоны могут регулировать время жизни мРНК, а также процесс ее поступления в цитоплазму. Ряд исследований показывает, что под влиянием цитокинина повышается функциональная активность рибосом, а также их число, что и приводит к возрастанию синтеза белков-ферментов. Имеются прямые экспериментальные доказательства взаимосвязи фитогормонов с синтезом белков-ферментов. Действие фитогормонов не проявляется при введении ингибиторов синтеза мРНК и белка. В тоже время показано влияние гормонов на увеличение новообразования мРНК и белка. При неблагоприятных условиях гормоны участвуют в индукции генов, кодирующих образование стрессовых белков. Так, ауксины стимулируют биосинтез таких ферментов, как целлюлаза, целлюлозосинтетаза, пектинметилэстераза, АТФаза и др. Гиббереллины активируют образование ряда гидролаз и ферментов, катализирующих синтез липидов, входящих в состав мембран. Четкие данные по индуцированию синтеза ферментов, таких, как нитратредуктаза, РБФ-карбоксилаза/оксигеназа и др., получены для цитокининов. Фитогормоны, ингибирующие рост (АБК), тормозят синтез ряда белков. В то же время АБК, накапливаясь в семенах в период их естественного обезвоживания, индуцирует синтез белков в позднем эмбриогенезе. Этилен активирует образование белков-ферментов, участвующих в процессах, стимулирующих созревание плодов. Однако наряду с действием на дифференциальную активность генома большое значение имеет влияние фитогормонов на мембраны. Действие на уровне мембран, по-видимому, характерно для всех фитогормонов. Так, существуют данные, что под влиянием ауксина изменяется толщина мембран. Гормоны регулируют проницаемость мембран. Ауксины и цитокинины усиливают поступление ионов через мембраны. АБК и этилен индуцируют выход ионов из клетки. Под влиянием гиббереллинов возрастает проницаемость мембран для Сахаров. Показано также, что гиббереллин вызывает новообразование мембран эндоплазматического ретикулума, способствуя синтезу их липидных компонентов.

     Показано, что под влиянием ауксина происходит выход протонов на наружную сторону плазмалеммы, развивается гиперполяризация мембран, возрастает ΔμН⁺ (В.В. Полевой). Как известно, ΔμН⁺ возникает либо благодаря работе редокс-цепи, либо за счет распада АТФ в результате действия АТФ-фазы: ΔμН⁺ -> АТФ -> ΔμН⁺. Имеются данные, что ИУК активизирует АТФазу, локализованную в плазмалемме. Это и может быть причиной активации выхода протонов (Н⁺-помпа). Вместе с тем ауксины повышают интенсивность дыхания, ускоряя работу дыхательной цепи (редокс-цепь), следствием чего также может быть усиление выброса протонов через мембрану митохондрий. Этот механизм является одной из основ действия ИУК на рост растяжением. В настоящее время признано, что способность к росту определяется энергетическим потенциалом клетки (отношение АТФ/АДФ). При взаимодействии с мембранами фитогормоны влияют именно на поток энергии. Усиливаются процессы окислительного фосфорилирования (ауксины), фотосинтетического фосфорилирования (гиббереллины, цитокинины). Образовавшаяся после взаимодействия фитогормонов с мембранами АТФ, наряду с использованием на различные синтезы, может служить источником образования циклической АМФ (цАМФ). Последняя образуется из АТФ при участии связанного с мембранами фермента аденилатциклазы. Под влиянием цАМФ активируются ферменты протеинкиназы, катализирующие фосфорилирование белков, участвующих в сигнальных цепях и транскрипции. Изложенный материал показывает, что под влиянием условий среды, а также в зависимости от свойств данной клетки (ее местоположения) в ней создается определенное соотношение гормонов. Это, в свою очередь, определяет развертывание генетической программы, темпы роста, дифференциацию и развитие. Надо только учитывать, что клетка должна быть восприимчива, или компетентна, к действию фитогормонов, в частности, должна обладать соответствующими рецепторами.

5.НЕОБЫЧНЫЕ ФИТОГОРМОНЫ

Мы уже знаем, какое важное значение имеют для растения ауксины, гиббереллины и цитокинины. Теперь речь пойдет о новой необычной группе фитогормонов - абсцизинах, пожалуй, самых уникальных, обладающих по сравнению с предыдущими противоположными свойствами. "Абсцизин" буквально означает "отделение органа" или "опадение листа".  
      Самый известный представитель абсцизинов - абсцизовая кислота, открытая в растениях хлопчатника и явора в 1963 году, как вещество, вызывающее опадение молодых плодов. Вскоре установили ее химическую структуру, которая оказалась сложной и была отнесена к классу моноциклических  сесквитерпеноидов.

После двух лет трудоемких исследований английскому ученому Дж. Корнфорту  удалось синтезировать химическим путем абсцизовую кислоту. Теперь она  стала доступной многим исследователям. Дальнейшие поиски с помощью современных  методов аналитической химии - тонкослойной, колоночной, газо-жидкостной хроматографии  и масс-спектрометрии - привели к  открытию абсцизовой кислоты, притом в  ничтожном количестве в листьях, почках, клубнях, семенах и плодах цветковых растений. 
     Абсцизовой кислоте, как и другим фитогормонам, нельзя приписать какую-либо одну роль в росте и развитии растения. Их у нее много, и спектр ее действия широк. Оказывается, абсцизовая кислота участвует в защитных приспособительных реакциях растения в условиях недостатка влаги. Помогли это установить следующие опыты с обыкновенными томатами.  
     Для выведения нового сорта томатов Рейнландс Рум с помощью рентгеновского облучения получили разнообразные измененные растения - мутанты с ценными признаками. Но среди них оказались уродцы с чрезмерно разветвленными побегами, искривленными листьями и добавочными корнями на стебле, которые, несмотря на обильные поливы, увядали. Это заинтересовало ученых. Они обнаружили у данного мутанта повышенную транспирацию воды листьями. Объяснялось это тем, что устьица листьев были постоянно открыты.

Устьица - это многочисленные микроскопические вентиляционные отверстия на поверхности  листа, которые автоматически открываются  и закрываются, поддерживая необходимый  уровень влаги в растении. А  у нашего растения не было защитной реакции на увядание - устьица не закрывались. Дальнейшие исследования показали, что в увядающем мутанте  по сравнению с нормальными растениями повышенное содержание ауксинов и цитокининов. Может быть, все дело в этих фитогормонах? Нет, причина увядания мутанта томата оказалась в неспособности синтезировать  абсцизовую кислоту. Ее было в шесть  раз меньше, чем в обычных неувядающих  растениях. Опрыскивание листьев абсцизовой кислотой привело к снижению транспирации. Устьица листьев стали закрываться. Увядающий мутант постепенно приобрел вид здорового растения.  
 
    Какова же роль абсцизовой кислоты при недостатке влаги? Во время засухи или при высокой температуре рост многих растений тормозится. В первые же минуты резко возрастает содержание данного фитогормона. Так, в листьях фасоли, сахарной свеклы, пшеницы, шпината при увядании и обезвоживании его количество может увеличиваться почти в 40 раз, особенно в устьицах. При недостатке влаги повышенные концентрации абсцизовой кислоты перемещаются из внутренней ткани листа мезофилла к устьицам эпидермиса и способствуют их закрытию. Считают, что абсцизовая кислота приводит к падению осмотического давления в замыкающих клетках эпидермиса. Это явление сопровождается понижением концентрации ионов калия и увеличением содержания крахмала в устьичных клетках. Если после засухи растение в достатке обеспечить водой, содержание фитогормона в листьях снизится. В устьицах усилятся поглощение ионов калия и распад крахмала, вслед за чем повысятся осмотическое давление и поступление воды. И тогда устьица снова откроются.

Возможно, абсцизовая кислота - своего рода "контролер", регулирующий движение ионов в системе "корень - стебель", а также проницаемость растительной ткани для воды.

Другая важнейшая функция необычного фитогормона - способность тормозить  многие физиологические процессы, что  имеет большое значение для растения. Ведь не всегда требуется бурное прорастание семени, чрезмерный рост стебля или долго зеленеющие листья. При резко возникших неблагоприятных условиях среды - жаре, похолодании, недостатке влаги, минерального питания или засоления почвы растению угрожает опасность - стресс. Поэтому необходимо быстро затормозить и даже выключить активные физиологические процессы. И здесь на помощь приходят регуляторы роста - абсцизины. Например, во время засухи повышенное количество абсцизовой кислоты для созревающих семян будет спасением - она увеличит глубину их покоя, а значит, даст им возможность переждать засуху.  
     В различных органах и физиологическая роль абсцизинов может быть различной. В листьях они регулируют движение устьиц, в запасных органах поддерживают состояние покоя, в корнях избирательно подавляют поступление ионов.

 Особенность абсцизинов заключается в действии, противоположном действиям всех известных фитогормонов. Так, в отличие от ауксинов они ускоряют опадение листьев и плодов. По сравнению с гиббереллинами  тормозят рост и вызывают покой. В противоположность цитокининам абсцизины усиливают старение клеток.

Несмотря на свою необычность, регулятор  роста - абсцизовая кислота - обладает всеми типичными свойствами фитогормонов. Она синтезируется, как и все  ростовые вещества, в микроколичестве  в одних органах, а свое многостороннее физиологическое действие проявляет  в других органах растения. Основным местом синтеза абсцизовой кислоты  служат хлоропласты, следовательно, она  синтезируется в листьях, стеблях  и плодах. На скорость синтеза гормона  влияют условия внешней среды: длина  дня, увядание, стадия развития растения. В опытах с меченой абсцизовой кислотой доказана ее большая скорость передвижения по растению - от 20 до 35 миллиметров  в час.

Изучение свойств абсцизинов имеет  не только теоретическое значение для  выяснения закономерностей роста  и развития растений. В последнее  время к этой группе регуляторов  роста возрос и практический интерес. Можно ли, скажем, с помощью абсцизовой кислоты и ее аналогов повышать устойчивость сельскохозяйственных растений к стрессам, экстремальным ситуациям? Хотя бы к  той же засухе? Установлено, что ни одно химическое соединение, имеющее  отношение к абсцизинам и способствующее закрытию устьиц, пока не превосходит  по своей активности основной фитогормон. Но есть трудность: снижение транспирации за счет закрытия устьиц влечет снижение фотосинтеза из-за меньшего поступления  СО₂. Помимо этого, обработка растения данным фитогормоном изменяет развитие органов и длительное время тормозит его развитие.

Но эти факты не уменьшают  интереса к необычному регулятору роста. Известно: содержание абсцизовой кислоты  в устойчивых к засухе сортах кукурузы в четыре раза выше, чем в неустойчивых. Следовательно, есть еще один путь борьбы с неблагоприятным климатом - селекционный, то есть создание новых сортов с необходимыми физиологическими характеристиками, оптимальным уровнем содержания всех известных нам групп фитогормонов: ауксинов, гиббереллинов, цитокининов и особенно абсцизинов.

На этом можно было бы закончить рассказ об ингибирующем рост фитогормоне, но споры среди  ученых не умолкают вокруг еще одного необычного газообразного регулятора роста - этилена. Многие считают его  фитогормоном, поскольку он образуется в мизерном количестве и способен регулировать период покоя, прорастание, деление и растяжение клеток. В  высоких концентрациях этилен ускоряет старение клеток и опадение листьев  и плодов. В очень низких концентрациях  этилен, как и абсцизовая кислота, проявляет уже не тормозящее действие, а, наоборот, активизирует процесс роста  и развития растения. Однако стимулировать  рост могут не только фитогормоны. Ведь известна неспецифическая стимуляция образования корней, формирования и  распускания почек при действии, например ядовитых веществ. Трудно представить  и принцип передвижения этилена  по растению. Современная наука располагает  данными о тесной связи количества этилена и основного гормона  роста - ауксина. Считают, что ауксин стимулирует образование этилена.

Самое замечательное свойство этилена известно давно. Это ускорение  созревания плодов. Зеленые плоды  томатов хорошо созревают в камерах  с этиленом. А плоды фруктовых  деревьев, которые в зрелом состоянии  не выносят транспортировки, уже  на месте можно с помощью необычного регулятора довести до полного созревания. Чаще используют не сам газ, а водные растворы веществ, его продуцирующих - этрел, гидрел, дигидрел. Они имеют  преимущество - легко проникают в  ткани растений, постепенно подвергаются разрушению и легко выделяют свободный  этилен.

От прорастания  до созревания.

Организм цветкового растения, как и высших животных, - это сложная, динамическая, саморегулирующаяся и  самовоспроизводящаяся система. Для  каждого растения огромную роль играют два его "жизненных полюса" - верхушки побега и корня. Эти центры регуляции развития образуют все  ткани и органы растения. Меристематические  ткани верхушек - самые чувствительные и аттрагирующие, то есть притягивающие  питательные вещества зоны. Их функции  многообразны. Так, верхушка побега подавляет  рост боковых почек, влияет на образование  проводящих систем и заложение корней, способствует ориентации листьев и  росту корней. Верхушка корня, подобно  верхушке стебля, также выполняет  различные функции: тормозит образование  боковых корней, но вызывает образование  и рост боковых почек стебля, поддерживает питание листьев. Мы уже рассказывали, как верхушку стебля во многих случаях  заменяет ауксин, а верхушку корня - другое "волшебное" вещество - цитокинин. Следовательно, отсутствие верхушек может  компенсироваться фитогормонами, которые синтезируются в этих органах. Одной из причин полярности растения, наличия двух "полюсов жизни", является неравномерная концентрация фитогормонов в тканях.

Фитогормоны входят в гормональную систему, определяющую взаимосвязь  физиологических процессов и  играющую важную роль в жизни растения. Такую же, как нейрогуморальная система  или система кровообращения для  животных. Под гормональным контролем  находятся такие сложнейшие интегральные процессы, как рост и взаимосвязь  органов, цветение и плодоношение. Посредниками между внешней средой и растением  тоже часто бывают фитогормоны. Гормональная регуляция роста и развития проявляется  на всех этапах жизни растения - от прорастания  до созревания. Каждая форма роста  характеризуется специфическим  набором или комплексом фитогормонов. Специфичность комплекса определяется количественным соотношением фитогормонов, стимулирующих рост ("побуждающих  к активности"), и фитогормонов, выступающих в роли ингибиторов, то есть "тормозов", подавляющих  развитие растения на данном этапе.