Рецепция, действие на клетку и транспорт ауксинов

В настоящее время выделено несколько групп ауксинсвязывающих белков. Наиболее изученными являются белки АВР (Auxin binding protein). Для этих белков определено три места локализации: мембраны эндоплазматического ретикулума (90%), тонопласты, цитоплазматические мембраны.

У кукурузы идентифицировано 5 генов АВР. Ген АВР1 локализован в 3-1 хромосома, состоит из 5 экзонов и 4 интронов и имеет длину 794 п.о. Белок АВР имеет массу 22 кДф и способен к димеризации. N-концевая гидрофобная последовательность содержит 38 аминокислотных остатков и может выполнять функцию сигнального пептида для переноса АВР через мембрану ЭПР. Последовательность имеет сайт гликозилирования (-Асп-Трп-Трп-).Гексапептидная последовательность в N-терминальном конце идентифицирована как сайт связывания с ИУК (Гис-Арг-Гис-Сер-Цис-Глу). На С-конце обнаружена KDEL-последовательность (Лиз-Асп-Глу-Лей-), которая является сигнальной последовательностью для заякоривания белка в просвете ЭПР.

После воздействия ИУК у АВР «отстригается» KDEL-последовательноть, АВР выходит из ЭПР и секретируется на мембрну. Мембранная форма АВР связывает ауксины с высокой аффиностью и способствует гиперполяризации мембраны за счет усиления транспорта через нее протонов. Согласно гипотезе «кислого роста» ауксин стимулирует Н+- АТФазу в плазматической мембране, что приводит к выкачиванию протонов через мембрану и закислению клеточной стенки. В результате усиливается активность кислых гидролаз, которые осуществляют гидролиз сшивок внутри клеточной стенки. Увеличивается пластичность клеточной стенки, она размягчается и клетка за счет тургорного давления растягивается, осуществляется ее рост.

Гены-мишени- SAUR (Small auxin-up RNA), AUX, PAR-A, B, C, ARC-A (продукт этогт гена является G-белком), СDC2 (контролирует синтез протеинкиназы) и др. Ауксины не действует на одну ткань или орган, а действуют практически вов всех тканях. Экспрессия генов GH3 и SAUR контролируется в процессе развития дискретно в специфических тканях: GH3 в цветках, SAUR – в проростках.

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).

Физиологические эффекты ауксинов.

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".

(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, поглощает 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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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 естественными 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). 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 причиняет вреда. Одуванчики, маргаритки и другие сорняки газонов гибнут от этого синтетического ауксина. Можно применять 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.

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 восприятие 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.

Дата добавления: 2014-01-11