Регуляторні механізми функціонування рослинного організму

Дистанційна мембранна регуляція  включає в себе транспорт попередників синтезу ДНК, РНК і білків, звільнення регуляторних білків. Мембранне управління хромосомним і рибосомальні апаратами здійснюється також за допомогою іонних і кислотно-лужних зрушень. Так активність РНК-полімерази II, що синтезує мРНК, підвищується зі збільшенням іонної сили до 0,4 моль / л, причому необхідні Мn²⁺ і рН 7.5, в той час як відповідальна за синтез рРНК РНК-полімераза I максимальну активність розвиває при низькій іонній силі в присутності Mg²⁺ і при рН 8.5 . Ці дані вказують на те, що іонні відносини і рН, що залежать від регуляторної активності мембран, можуть бути важливою ланкою в управлінні генним апаратом. Існує думка, що зрушення в іонному гомеостазі клітин у відповідь на зовнішні впливи служать первинним внутрішньоклітинним індуктором процесів мітозу та диференціальної активності генів. Зокрема, зсув рН в кислу сторону в ряді випадків викликає поділ клітин. Синтез білків також залежить від якісного складу та кількісного вмісту іонів. Добре відома необхідність Mg²⁺ для збірки рибосом і полірибосом. Ініціації трансляції сприяє низька концентрація іонів K⁺ порядку 30-50 ммоль / л і рН 7,4-7,6, а для подальшого процесу елонгації поліпептиду в рибосомальному комплексі оптимальна підвищена концентрація К⁺ або (до 150 ммоль / л ) і рН 8,3-8,4.

3. Генетична система регуляції

Генетична регуляція включає  в себе регуляцію на рівні реплікації, транскрипції, процесингу і трансляції. Молекулярні механізми регуляції тут ті ж (рН, іони, модифікація молекул, білки-регулятори), однак складність регуляторних мереж зростає.

Роль генів полягає  в зберіганні і передачі генетичної інформації. Інформація записується  в структурі хромосомної ДНК  у вигляді триплетного нуклеотидного коду. Інформація в клітинах передається завдяки синтезу РНК на матриці ДНК (транскрипція) і синтезу спеціалізованих білків на матриці мРНК за участю рРНК і тРНК (трансляція). У ході та після транскрипції або трансляції відбувається модифікація біополімерів (процесинг), що транспортуються в місця призначення. Спеціалізовані білкові молекули у відповідності зі своєю «структурної» інформацією шляхом самозбірки утворюють специфічні комплекси, що виконують різні функції: каталітичні (ферменти), рухові (скоротливі білки), транспортні (насоси та переносники), рецепторні (хемо-, фото-та механорецептори), регуляторні (білкові активатори, репресори, інгібітори), захисні (лектини).

Для вилучення в потрібний  момент необхідної інформації з структур хромосом у клітині існує складна  система регуляції, не всі сторони  якої в даний час відомі [3,4].

Існує кілька гіпотез, що пояснюють  механізми постранскрипційної регуляції експресії генів мРНК. Відповідно до гіпотези Е. Девідсона і Р. Бріттена (1973, 1979), в ядерній ДНК поряд зі структурними генами, що кодують синтез різних мРНК, присутні інтегруючі регуляторні гени, що містять численні повтори. Якщо в нуклеоплазмі у великій кількості з'являються транскрипти з певних регуляторних генів (регуляторні транскрипти), то утворюються комплементарні асоціати з відповідними про-мРНК. У результаті ці про-мРНК піддаються швидкому процесингу, і активовані таким чином мРНК починають функціонувати. При цьому різко зростає швидкість їх зчитування з відповідних структурних генів.

Еффектор 1 (Е1), наприклад фітогормон, взаємодіючи зі своїм рецепторним білком (РБ1), індукує транскрипцію певного інтегруючого регуляторного гена з численними повторами.

Гіпотетична схема регуляції  експресії генів мРНК у еукаріотів: Е "Е, - ефектори; РБ ”РБ, – рецепторні білки ефекторів; а,, а, - акцепторні зони, П – промотор.

Про-РНК з цього регуляторного гену піддається процесингу та регуляторні транскрипти, утворюючи комплементарну асоціацію з про-мРНК І, індукують швидке новоутворення і активацію цієї мРНК. На відміну від мРНК₁, зчитування та активація мРНК₂ залежать від одночасної присутності двох ефекторів. Причому один із них (Е₁) може бути фітогормоном, а другий (Е₂) – або гормоном іншого класу, або метаболітом. Таким чином, синтез мРНК₂ – приклад генетичної індукції, що знаходиться під подвійним контролем. Так, синтез нітратредуктази у рослин можна індукувати нітратом (субстратна індукція) і фітогормоном цитокініном, причому кінцевий продукт відновлення нітрату - амоній - блокує розвиток нітратредуктазної активності.

Механізми трансляції набагато складніші від процесів транскрипції. У той час як транскрипцію забезпечують десятки білків, для здійснення синтезу  поліпептиду необхідні сотні  спеціалізованих білків. Тільки в  рибосомах еукаріотів їх 70-100. Причому  мала і велика рРНК виконують роль каркаса, на якому здійснюється самозбирання цих білків [5].

Інтенсивність і спрямованість  трансляції залежать від:

1. концентрації інформаційних матриць, тобто специфічних мРНК, рівень яких визначається їх синтезом, транспортом, зберіганням, активацією і розпадом;
2. присутності всіх компонентів апарату трансляції (рибосом, гРНК, амінокислот, ATP, GTP, сінтстаз, регуляторних білків);
3. фізико-хімічних умов (рН, іонів).

РОЗДІЛ 2.

МІЖКЛІТИННІ СИСТЕМИ РЕГУЛЯЦІЇ  У РОСЛИН

1. Трофічна регуляція

Взаємодія за допомогою поживних речовин – найбільш простий спосіб зв'язку між клітинами, тканинами та органами. У рослин коріння та інші гетеротрофні органи залежать від надходження асимілятів, що утворюються в листках у процесі фотосинтезу. У свою чергу надземні частини потребують мінеральних речовин та воду, які поглинають корінням з ґрунту. Корені використовують асиміляти, що надходять з пагона, на власні потреби, а частину трансформованих органічних речовин рухається у зворотному напрямку. Ізольовані коріння в стерильних умовах для нормального розвитку крім мінеральних речовин і цукру потребують ще й в деяких вітамінах, таких, як В, В6 і нікотинова кислота. Очевидно, вітаміни надходять в коріння з пагонів [7].

Зрушення в змісті різних елементів живлення впливають на обмін речовин, фізіологічні та морфогенетичні процеси у рослин. Добре відомі характерні зміни в рослинному організмі, зумовлені нестачею або надлишком тих чи інших мінеральних речовин. При голодуванні посилюється конкуренція різних ділянок за продукти харчування, що позначається на процесах морфогенезу. За несприятливих умов харчування нижчі організми переходять до генеративних процесів. Цвітіння довгоденних рослин на довгому дні прискорюється при збільшенні вмісту вуглеводів і відносно низькому вмісті азотистих сполук, а зацвітання коротко-денних видів на короткому дні, навпаки, сприяє зниження вмісту вуглеводів і збільшення азотистих сполук [8].

Однак потрібно зазначити, що трофічна регуляція носить скоріше  кількісний, ніж якісний, характер. При обмеженому харчуванні у рослин, як правило, розвиток триває у відповідності  з внутрішніми закономірностями, але у них формуються органи зменшеного розміру і скорочується кількість  листя, плодів і насіння. Цікаво, що при цьому кінцева величина сформованих  насіння, навіть якщо це одне насіння, мало відрізняється від норми. Все  це вказує, що наряду з трофічними взаємодіями в рослинному світі функціонують більш досконалі системи регуляції, що забезпечують взаємодію всіх його частин [9].

2. Гормональна система регуляції

Фітогормони – сполуки, за допомогою яких здійснюється взаємодія клітин, тканин і органів і які в малих кількостях необхідні для запуску і регуляції фізіологічних і морфогенетичних програм. Гормони рослин – порівняно низькомолекулярні органічні речовини (M_r 28–346). Вони утворюються в різних тканинах і органах і діють в дуже низьких концентраціях порядку 10 ^–13 – 10 ^–15 моль / л. [10].

На можливість існування  у рослин речовин, функціонально  схожих з гормонами тварин, вперше в 1880 р. вказав Ч. Дарвін у своїй книзі  «Здатність до руху у рослин». Досліджуючи  рухові реакції рослин - тропізми, він  встановив, що до впливу зовнішніх факторів найбільш чутливі верхівки осьових  органів рослин (сенсорні зони), а  повільна рухова ростова реакція  здійснюється в іншій ділянці (у  «моторної» зоні). У зв'язку з цим  він припустив, що роздратування (світло, гравітація та ін.), сприйняте сенсорною  зоною, передається в нижню моторну  зону за допомогою хімічного стимулу (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Дослід Ч. Дарвіна з етиольованими проростками канаркової трави. А – вихідні проростки зі світлонепроникними станіолевими ковпачками або циліндрами; Б – проростки після одностороннього освітлення

Г. Фіттінг в 1909-1910 рр. вивчав особливості запилення і запліднення у орхідей, виявив, що в напівлініях (грудочки пилку орхідей) присутня якась речовина, що викликає розростання зав'язі і формування партенокарпічних (безнасінних) плодів. Фіттінг першим запропонував ввести в фізіологію рослин термін «гормон». Так як надалі дослідження зосередилися головним чином на вивченні участі цих фізіологічно активних речовин у процесах росту і ростових рухів, їх стали називати ростовими гормонами або ростовими речовинами. За 60 років з початку XX в. були відкриті етилен, індоліл-3-оцтова кислота (ауксин), цитокініни. гібереліни, абсцизини, вивчені фенольні інгібітори росту негормональної природи. У міру відкриття все нових фітогормонів та вивчення різних аспектів їх дії ставало очевидним, що фізіологічно активні речовини цього класу беруть участь не тільки в процесах росту, а й у дозріванні, старінні, в явищах стресу, транспорту речовин і в багатьох інших [10,11].

Слід зазначити, що гормональна  система рослин менш спеціалізована, ніж у високоорганізованих тварин, що мають відокремлені ендокринні залози.

У рослинних організмах для  включення і виключення морфогенетичних і фізіологічних програм використовуються одні й ті ж фітогормони в різних співвідношеннях.

Припущення Дарвіна про  те, що верхівки колеоптиля проростків злаків синтезують і виділяють речовину, здатну активувати ріст нижньої зони, було підтверджено у дослідженнях першої чверті XX в. Ф. Вент виділив цю ростову речовину, накладаючи відрізані верхівки колеоптиля на агарову платівку. Ростова речовина, яка дифундувала в агар, при накладанні агар-агарових кубиків на зріз декапітованого колеоптиля викликало його ріст. У 1935 р. в лабораторії Ф. Кегля ця речовина була ідентифікована як індоліл-3-оцтова кислота (ІУК).

Сполуки цієї групи Кегль  назвав ауксинами (від грец. «aіхаnо» – росту). У наступні роки ІУК була виявлена в різних рослинних об'єктах [12].

Метаболізм і  транспорт. ІУК широко поширена в рослинному світі від бактерій до вищих рослин. У вищих рослин її найбільше в розвиваються нирках і листі, в активному камбії, в формуються насінні, в пилку. У цілому рослині синтез ауксину зазвичай найбільш інтенсивний у верхівці головного пагона. Його попередники – амінокислота триптофан або триптамін. ІУК може також бути звільнені із зв'язаного стану (з глікозидів, комплексів з амінокислотами або білками).

Транспорт ІУК в рослинних  тканинах здійснюється полярно зі швидкістю 10-15 мм / год. від верхівки пагона до кореня. У стеблі пересування йде по живих клітинам провідних пучків. Механізм полярного транспорту ауксину полягає в наступному: у апікальний кінець клітини ІУК проникає пасивно разом з іонами Н⁺ а в базальному кінці активно секретується через клітинну мембрану. Активний транспорт ІУК специфічно інгібується N-1-нафтілфтала-міновою кислотою і морфактином [13].

Фізіологія та біохімія дії. Ауксин активує поділ і розтягнення клітин, необхідний для формування провідних пучків і коренів, сприяє розростанню навколоплідника. Тканини, збагачені ауксином, володіють атрагуючою дією, тобто здатні притягувати поживні речовини. У ряді випадків обробка ауксином затримує процеси старіння тканин і органів. Ауксин обумовлює явище апікального домінування, тобто гальмівний вплив апікальної бруньки на зростання пазушних нирок. Першорядну роль грає ІУК в ростових рухах – тропізмах і настіях.

Проникаючи в клітини, ІУК зв'язується зі специфічними рецепторами, впливаючи на функціональну активність мембран, полірибосом і роботу ядерного апарату. Встановлено. що в плазмалемі ауксин індукує роботу Н⁺-помпи, в результаті чого матрикс клітинних стінок окислюється. Це призводить до посилення активності кислих гідролаз і розм'якшенню клітинних стінок, що є необхідною умовою для росту клітин розтягненням. Включення Н⁺-помпи посилює поглинальну активність тканин, збагачених ауксином (атрагуючий ефект). Припускається, що надходження Са₂ в клітину сприяє посиленню секреції кислих гідроаз і полісахаридів, необхідних для подальшого росту клітинних стінок.

Комплекс фітогормону з рецептором, вступаючи в ядро, активує синтез усіх форм РНК, у тому числі матричних, що в свою чергу призводить до формування нових полірибосом і синтезу білків у цитоплазмі [14].

Речовини, необхідні для  індукції ділення рослинних клітин, отримали назву цитокініни. Вперше в чистому вигляді фактор клітинного ділення був виділений з автоклавованого препарату ДНК сперми оселедця (К. Міллер, Ф. Скуг та ін., 1955). Ця речовина була ідентифікована як 6-фурфуріламінопурин – кінетин (рис. 2.2). Природний цитокінін з незрілих зернят кукурудзи – зеатин (рис. 2.3) – в 1963 р. отримав Д. Летам: