РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

---

Жасмоновая кислота (ЖК) и ее метиловый эфир

могут контролировать такие процессы как созревание плодов и рост корня, изгиб усиков производство жизнеспособной пыльцы, устойчивость растений к насекомым и патогенам. Жасмоновая кислота и ее метиловый эфир могут синтезироваться при механическом повреждении из линоленовой кислоты, образующейся при распаде фосфолипидов клеточных мембран. Жасмоновая кислота транспортируется в неповрежденные участки по флоэме, а ее метиловый эфир как летучее соединение – по воздуху.

Содержание ЖК в тканях растений возрастает при механических раздражениях: изменение тургорного давления при водном дефиците, движении усиков, взаимодействии корневых волосков с частицами почвы. Синтез ЖК активируется элиситорами и системином. Активация синтеза ЖК в ответ на ряд механических раздражений происходит с участием Са-кальмодулинового пути сигнальной трансдукции. Концентрация ЖК наиболее высока в зонах клеточного деления, молодых почках, цветках, тканях околоплодника, в гипокотельном крючке бобовых растений. ЖК приводит к снижению содержания хлорофилла и хлорозу.

Концентрация жасмоновой кислоты в растительных тканях резко возрастает при механическом повреждении или воздействии элиситоров, способных индуцировать реакцию сверхчувствительности. Последняя является одним из самых эффективных способов защиты растительных организмов от повреждения, поскольку происходит быстрая локальная гибель инифицированных растительных клеток вместе с патогеном, что, в конечном счете, обеспечивает устойчивость всего растения. Синтез жасмонатов запускается при поранении растения, например, в процессе поедания фитофагами.

Жасмоновая кислота активирует экспрессию ряда генов, продукты которых вырабатываются в ответ на такие стрессовые воздействия, как механическое повреждение тканей и заражение патогенами. К их числу относятся, например, тионины, экстенсины, ферменты, участвующие в синтезе ряда фенольных соединений и фитоалексинов. Поэтому обработка растений жасмоновой кислотой резко повышает их устойчивость к повреждениям. Жасмоновая кислота – один из факторов индукции иммунитета растений к повторным заражениям.

Салициловая кислота (СК):

также обеспечивает растению устойчивость к повреждениям, вызываемыми различными патогенами. Синтез СК играет определяющую роль в реакции сверхчувствительности, а также в пролонгированной системной устойчивости растений к широкому кругу инфекций.

Синтез СК начинается в растениях с превращения фенилаланина в транс-коричную кислоту (рис. 6.12):

Фенилаланин → транс-Коричная кислота → Бензойная кислота →

→ Салициловая кислота

Рис. 6.12. Схема биосинтеза салициловой кислоты

Образование салициловой кислоты происходит с участием фермента 2-гидроксилазы бензойной кислоты. Фермент представляет собой цитохром-Р₄₅₀-монооксигеназу, использующую молекулярный кислород для гидроксилирования бензойной кислоты.

Салициловая кислота может образовывать метиловый эфир и (или) связываться с глюкозой под действием глюкозилтрансферазы.

Образование больших количеств пероксида водорода является также причиной активации синтеза фитогормонов – салициловой и жасминовой кислот. Повышение содержания салициловой кислоты усиливает реакцию СВЧ, поскольку салицилат является ингибитором каталазы – фермента, расщепляющего пероксид водорода. То есть пероксид водорода, активируя синтез салициловой кислоты, способствует еще большему накоплению активных форм кислорода и таким образом вызывает усиление СВЧ-реакции. По мере затухания реакции СВЧ салициловая кислота переводится в связанную форму, взаимодействуя с глюкозой и образуя гликозиды. Следует отметить, что синтез салициловой кислоты и образование ее коньюгантов – ключевые элементы не только в СВЧ-реакции, но и в формировании системного приобретенного иммунитета растения. Таким образом, в ходе СВЧ-реакции в растении происходит также формирование иммунитета к повторным заражениям.

Системин – полипептидный гормон, обнаруженный в растениях недавно (1991 г.), состоит из 18 аминокислот. Как и большинство пептидных гормонов животных, он образуется из своего предшественника – просистемина, молекула которого содержит 200 аминокислотных остатков. Впервые системин был выделен из листьев молодых растений томатов, затем его обнаружили в картофеле, перце и некоторых других растениях. По строению молекулы системинов из разных видов растений отличаются, но функционируют одинаково. Системин проявляет биологическую активность в низких концентрациях – 10^–15 М.

В 1999 г. был идентифицирован рецептор системина, представляющий собой высокомолекулярный полипептид с молекулярной массой 160 кДа и локализованный в плазмалемме. В отличие от ранее известных гормонов он запускает системы, защищающие растения от патогенов, повышает устойчивость к заболеваниям.

 

 

Важным компонентом защитных реакций растений являются ингибиторы ферментов, участвующие в процессах переваривания пищи насекомыми. Наиболее изученными из них являются ингибиторы протеолитических ферментов (протеазы), которые расщепляют белки в процессе пищеварения. У насекомых, которые питаются растениями, содержащими ингибиторы протеаз, резко падают темпы роста и развития, поскольку в их меню отсутствуют свободные аминокислоты. Ингибиторы протеаз обычно появляются в растениях в ответ на повреждение. Экспрессия генов, кодирующих ингибиторы протеаз, индуцируется механическим повреждением растений и непосредственно контролируется двумя фитогормонами: небольшим пептидом из 18 аминокислот системином и упоминавшейся жасмоновой кислотой.

Показано, что синтез ингибиторов протеаз является результатом целого ряда событий (рис. 6.13). На первом этапе повреждения растения насекомыми синтезируется системин – первый гормон пептидной природы, обнаруженный в растениях. Затем системин транспортируется по флоэме в неповрежденные участки растения, где взаимодействует с рецепторами и инициирует синтез еще одного гормона — жасмоновой кислоты, которая, в свою очередь, активирует экспрессию генов, кодирующих синтез ингибиторов протеаз. Установлено, что у томатов системин включает в системную регуляцию более 20 генов, участвующих в повышении устойчивости к повреждению фитофагами, патогенами, поранению, а также к ряду абиотических стрессовых воздействий. При этом регуляция экспрессии некоторых «защитных» генов системином может осуществляться вместе с другими гормонами, например, такими, как АБК, этилен, жасмоновая кислота.

В настоящее время в растениях выявлены и другие гормоны, в частности фитосульфокины, участвующие в регуляции клеточных делений и других ростовых процессов у растений. Это небольшие пептиды, состоящие из 4–5 аминокислот.

Из томатов, табака и конских бобов выделен еще один гормональный полипептид, содержащий 50 аминокислотных остатков и обеспечивающий быстрое подщелачивание среды, в которой находятся клетки. Он получил название фактора быстрого подщелачивания (ФБП). Другие его функции неизвестны.

В клетках арабидопсиса обнаружен полипептид, кодируемый геном CLAVATAS, и играющий важную роль в делениях клеток и дифференцировке цветочных меристем.

Олигосахарины. В регуляции физиологических процессов у растений участвуют короткие углеводы – олигосахариды. В 1980 г. было обнаружено, что продукты деградации клеточной стенки Phytophtora вызывают специфичную иммунную реакцию. Небольшие перестройки углеводного скелета приводили к исчезновению эффекта, поскольку большинство олигосахаридов не проявляют активности. Олигосахариды, вызывающие физиологический эффект, назвали олигосахаринами.

Олигосахарины образуются в результате расщепления полисахаридов клеточной стенки. Расщепление вызывают как собственные ферменты, так и ферменты грибов и бактерий. В состав олигосахаринов могут входить ксилоза, рамноза, галактоза и остатки уроновых кислот. Из гликолипидов, входящих в состав мембран, образуются олигосахарины, содержащие инозитол.

Установлено, что олигосахариды суспензионной культуры клена остролистного стимулируют деление клеток в культуре in vitro. Это доказывает присутствие в экстрактах олигосахаринов.

При действии ферментов, разрушающих гликаны клеточной стенки, получают активные олигосахарины, стимулирующие созревание плодов. Специфические олигосахарины являются сигналами при узнавании симбионтов в системе Rhizobium – растение-хозяин. Без обмена олигосахаринами клубеньки у бобовых не образуются.

В последние годы к регуляторам роста, проявляющим гормональную активность в растениях, стали относить брассиностероиды и простагландины (БС).

Брассиностероиды. В середине 60–70 гг. ХХ столетия были получены данные о том, что вместе с известными фитогормонами имеются вещества, которые также обладают регуляторными качествами. В 1970 г. П. Митчеллом с сотрудниками из пыльцы рапса и ольхи была выделена липидная фракция, которая стимулировала рост растений. Эта группа соединений была названа брассинами или брассиностероидами. Молекулярное строение нового регулятора роста – брассинолида была выявлена тогда, когда из 40 г пыльцы рапса выделили 4 г кристаллического вещества – С₂₈Н₄₈О₆.

Термин брассинолид, который давал название всему классу фитогормонов, соответствовал названию рапса – Brassica napus. В соответствии с источником выделения были даны названия и некоторым другим представителям брассиностероидов, которые выделили позже: катастерон, долихолид, теостерон и т. д.

Брассиностероиды обладают полифункциональным действием, которое проявляется во взаимодействии со всеми фитогормонами. Они повышают устойчивость растений к засухе, холоду, высшим температурам, излишней влажности и т. д.

Брассиностероиды найдены среди растений разных таксономических групп. Анализ литературных данных говорит о том, что БС присутствуют во многих органах и тканях растений, однако, в большинстве случаев не могут быть еще идентифицированы из-за малой чувствительности методов.

Весьма многочислено действие БС на физиолого-биохимические функции растений (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Схема основных функций брассиностероидов в растениях

БС влияют (стимулируют) рост листьев и корней, проростков. Отмечена стимуляция, как растяжения, так и деления клеток; БС увеличивают размеры органов и урожай семян, увеличивают интенсивность фотосинтеза, тормозят старение листьев. Одной из самых интересных особенностей БС является способность стимулировать индукцию ауксина, этилена, а также ряда ключевых ферментов нуклеинового обмена растений: ДНК – полимеразы, рибонуклеазы, а также АТФазы. Во всех тестах для ГК БС проявляют активность в концентрациях на один и более порядков ниже. БС являются синергистами ауксинов, гиббереллинов, цитокининов и этилена.

Простагландины (ПГ) – вещества липидной природы, обладающие большим спектром биологического действия в организме животных, в которых они являются гормонами.

В последнее время появляется все больше экспериментальных фактов о присутствии ПГ в растениях и их регуляторной роли.

Простагландины – это производные полинасыщенных гидроксилированных жирных кислот, которые состоят из 20 углеродных атомов. Для всех соединений характерно наличие циклопентанового кольца, двух боковых цепей, двойной (транс) связи при С₁₃ и гидроксила в положении 15. Этот гидроксил имеет большое значение в определении биологической активности ПГ.

В зависимости от строения пентанового кольца все ПГ делятся на 4 группы: А, Б, Е и F; индекс при соответствующей букве означает количество двойных связей в боковых цепях. Во всех природных ПГ ОН-группа у 15 атома углерода находится в α-положении; β-изомеры в природе не встречаются.

Наибольший интерес имеют ПГ группы Е (ПГЕ); они характеризуются большим спектром биологического действия и, как правило, обладают наибольшей активностью.

Структура наиболее активного простагландина ПГЕ₂ имеет вид:

В начале 70-х годов прошлого века в растениях обнаружен предшественник ПГ-арахидоновая кислота. Непосредственно ПГ группы А обнаружены в луке Allium cepa. В последние годы идентифицированы ПГ (Е₁, Е₂ и др.) в тканях ряда высших растений.

Общую схему биосинтеза ПГ в растениях можно представить следующим образом:

Физиолого-биохимические процессы, на которые влияют простагландины, включают цветение, интенсивность фотосинтеза, галообразование в клубнях, фитофтороустойчивость картофеля, поведение устьиц, рост гипокотелей салата, прорастание семян, активность кислой фосфотазы, величина листовой поверхности, проницаемость мембран.

Учитывая возможную роль ПГ в растениях, изучалась их биологическая активность на тестах, которые используются при определении активности фитогормонов – растяжение колеоптилей, рост корешков, прорастание семян и т. д. Однако, пока нет единого взгляда на гормональную активность ПГ в растениях. Можно только отметить, что ПГ выполняет ряд важных функций в регуляции метаболическими процессами в растительной клетке.

6.6. Взаимодействие гормонов при росте

Основная особенность онтогенеза растительного организма – наличие ростовых процессов на всех его этапах. Вероятно, переход от одной фазы онтогенеза к другой сопровождается сменой регуляторных систем, среди которых доминирующую роль играют фитогормоны. Установлено, что не только стимуляторы, но и факторы ингибирования принимают участие в росте и развитии растений.

Для всех этапов онтогенеза характерно взаимодействие органов; растения проходят эти этапы как целостные организмы. Целостность определяется работой комплекса регуляторных систем организма. Во взаимодействии органов большую роль играют корреляции – трофические, регулируемые метаболитами общего типа, и гормональные, регулируемые фитогормонами.

Явление целостности проявляется на отдельных этапах онтогенеза. В основе этого явления лежит баланс фитогормонов и ингибиторов, который направляет потоки питательных веществ. Каждый из последовательных этапов онтогенеза владеет специфическими для него физиологическими свойствами и морфологическими признаками, включая как образование и рост новых структур, так и гормональные изменения, которые подготавливают возникновение этих этапов.

Физиологические и морфологические изменения находятся при постоянном взаимодействии.

К настоящему времени удалось раскрыть механизм взаимодействия между ведущими парами фитогормонов: гормон-гормон и гормон-ингибитор, которые регулируют отдельные формы ростового процесса.

Средние молярные дозы цитокининов и ауксинов активируют клеточное деление, тогда как высокое соотношение цитокининов к ауксинам устраняет латеральное ингибирование почек и вызывает даже закладку почек в некоторых культурах тканей. Низкие соотношения – способствуют закладке корней. Цитокинины имеют тенденцию препятствовать действию ауксина на растяжение клеток и подавлять в листьях процессы, которые связаны со старением, благодаря поддержанию соответствующих уровней РНК, белка, хлорофилла.

Взаимодействие ауксина и этилена происходит разными путями, поскольку высокий уровень ауксина запускает образование этилена, а высокий уровень этилена может индуцировать синтез фермента пероксидазы, который инактивирует ИУК.

АБК в ряде случаев выступает как антагонист ИУК, цитокининов и гиббереллинов.

Баланс этих пар в целом растении, их взаимосвязи скоординированы так, что только благодаря вычленению отдельных органов, тканей и клеток удается определить роль отдельных фитогормонов и ингибиторов в регуляции типов роста растительного организма, а также их роль в координации процессов при реализации целостности (рис.6.15).

Рост семядоли ЦТК АБК	Апикальное доминирование ИУК ЦТК	Зеленение листа ЦТК АБК
Растяжение клеток ИУК фенольный ингибитор		Опадение Этилен Ауксин
Ризогенез Ауксин фенольный ингибитор	Рост стебля Гиббереллины АБК
Рост корня ИУК АБК	Изгиб корня ИУК АБК

Рис. 6.15. Взаимодействие фитогормонов при росте:

в числителе – стимулирующий фактор;

в знаменателе – фактор, ингибирующий процесс

6.7. Негормональные регуляторы роста

Функции основных типов фитогормонов-стимуляторов (ауксины, гиббереллины, цитокинины) и их антагонистов – фитогормонов-ингибиторов (АБК, этилен) реализуется в растительной клетке при непосредственном влиянии негормональных факторов. К последним относятся вещества, усиливающие действие фитогормонов. Такими веществами являются витамины, фенольные соединения (протекторы и синергисты), имитаторы фитогормонов.

Витамины – негормональные регуляторы, синтезирующиеся в растениях в микроколичествах. Они выполняют каталитические функции, усиливают ростовые процессы, активируемые фитогормонами.

Фенольные протекторы фитогормонов – эндогенные соединения, которые предотвращают разрушение или иммобилизацию регуляторных соединений. К ним относятся такие фенольные соединения как фенолкарбоновые кислоты (кофейная, феруловая, синапавая), которые защищают ауксины типа ИУК от разрушения. Таким образом, протекторы являются непосредственными регуляторами метаболитов фитогормонов, т. е. регуляторами обмена фитогормонов.

Фенольные синергисты – вещества, которые самостоятельно не участвуют в регуляции роста, но активируют функцию фитогормонов. Как уже отмечалось, ни протекторам, ни синергистам самостоятельный гормональный эффект не свойственен. Этим они отличаются от имитаторов гормонов, т. е. органических соединений бактериального, грибного или растительного происхождения, которые проявляют на биотестах эффект одного или нескольких гормонов растений.

Открытие фитогормонов предопределило предпосылки для создания химических основ ростовых веществ. Вообще, все природные и синтетические соединения, участвующие в регуляции роста и развития растений, объединяют под общим названием регуляторы роста и развития. К ним относятся органические соединения, отличные от питательных веществ, но вызывающие стимуляцию или ингибирование процессов роста и развития.

Природные ингибиторы роста негормональной природы представляют собой самостоятельный класс регуляторов в растениях. Сюда относят ряд фенольных производных (паракумаровая кислота, флоридзин и др.), а также терпеноидные соединения (портулал, кукурбитацин, бататазины и др.).

Синтетические регуляторы роста. Открытие фитогормонов предопределило предпосылки для создания химических основ ростовых веществ.

Все природные и синтетические соединения, участвуя в регуляции процессов роста и развития, объединяются под общим названием регуляторы роста и развития. Эти вещества – органические соединения иного типа, чем питательные вещества.

За последние годы было получено ряд синтетических регуляторов, в частности синтетических ингибиторов. Последние соединения составляют несколько групп, владеющих специфичными функциями, например:

1. Реторданты, подавляющие рост стебля (хлорхолинхлорид, фосфон и др.);

2. Антиауксины, тормозящие перемещение ИУК и ее аналогов по растению;

3. Гербициды, синтетические препараты, которые убивают растения. Рассматривают гербициды общего действия, которые уничтожают всю растительность, селективные для борьбы с сорняками в монокультурах. При действии гербицидов сначала нарушается полярность, утолщаются побеги, появляются эпинастии, опадают листья, наступают паталогические морфозы, что и приводит к гибели растения.

Химические аналоги природных ингибиторов – синтетические соединения, аналоги этилена, фенольных ингибиторов, кумаринов и АБК, которые владеют мощным гербицидным или дефолирующим действием.

В последние годы большое распространение получили препараты, усиливающие цветение плодовых культур (алар), вызывающие дефолиацию и задержку роста стебля (этрел, гидрел).

Химические аналоги природных стимуляторов роста – регуляторы, активирующие особые фазы роста и онтогенеза растений. К ним, например, относятся синтетические аналоги ауксинов (α-нафтилуксусная, идолилмасляная кислоты, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислоты). Стимуляторы роста применяют для активации корнеобразования, роста культуры тканей, предотвращения опадения плодов.

6.8. Зависимость роста растений от экзогенных факторов

Рост, являясь интегральной функцией растения, зависит от влияния абиотических факторов внешней среды: света (его интенсивности, спектрального состава, продолжительности и периодичности), температуры (величины и периодичности), питательных веществ (количества и сбалансированности), механических воздействий ветер и др.).

Регуляция роста светом. Разносторонние процессы, которые определяют влияние света на форму растений, были названы фотоморфогенезом.

Растения, выросшие в темноте, называются этиолированными. Они отличаются от растений, выращиваемых на свету, рядом морфологических и биохимических особенностей.

Программа развития нормального зеленого растения контролируется специальными световыми реакциями, лежащими в основе фотоморфогенеза. Хлорофилл и разные вспомогательные пигменты фотосинтетического аппарата не играют в этих процессах главной роли, посколько начальные этапы развития растений на свету не могут осуществляться за счет фотосинтеза: структурная и биохимическая основы фотосинтетического аппарата в этот период еще не сформированы. Для устранения эффекта этиоляции и включения процессов фотоморфогенеза достаточно ежедневного 5–10 минутного освещения растений.

Термин «фотоморфогенез» объединяет процессы, которые не зависят от направления и периодического освещения, а определяются длиной волны и интенсивностью светового потока. Вероятно, в процессах фотоморфогенеза растений играют роль определенные соединения – пигменты.

Содержание этих пигментов в растениях очень малое, поэтому количество энергии, необходимое для насыщения соответствующих фотопроцессов, на несколько порядков ниже, чем при фотосинтезе. В то время как при фотосинтезе 8–10 квантов света необходимо для выделения только одной молекулы О₂, такое же количество квантов на одну клетку может полностью определить репродуктивную судьбу растения или направление роста всего стебля.

Реакция растений на длительность светового периода (или длину дня) разная. Эта реакция растений на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Выделяют растения короткого дня, когда растения зацветают при небольшой продолжительности освещения – менее некоторой критической величины. Когда же длина дня превышает определенную критическую величину – это растения длинного дня. Имеется и группа растений, цветение которых не зависит от длины дня – нейтральные растения.

Критический фотопериод у разных видов и даже сортов растений как короткого, так и длинного дня значительно варьирует. Эти различия в критическом фотопериодизме играют важную роль в размещении растений на Земле.

После открытия фотопериодизма выявили, что многие растения реагируют на длительность непрерывной темноты, а не на протяженность светового периода. Иными словами, так называемые растения короткого дня – это на самом деле растения длинной ночи. Для закладки цветковых бугорков им необходимо определенная минимальная длительность темноты, которая не прерывается светом. Подобным образом растение длинного дня может быть в действительности растением короткой ночи: оно будет цвести только в том случае, если ночной период не продолжительней некоторого максимума.

Всего только один подходящий период темноты может привести растение короткого дня к цветению, даже тогда, когда последующие темновые периоды недостаточно длительны. Этот феномен известен как фотопериодическая индукция. У многих растений длинного дня имеет место подобный, но обратно направленный феномен: прерывание очень длительного темнового периода вспышкой света приводит к индукции и заложению цветков.

Последнее говорит о том, что растения длинного дня и короткого дня, вероятно, владеют одинаковыми фотопериодическим механизмом, но последний каким-то образом действует в разных направлениях.

Это нашло дальнейшее подтверждение при изучении действия света разной длины волны – спектр действия. Для ингибирования цветения короткодневных растений и для активации цветения длиннодневных растений во всех случаях был определен максимум активности в красной области спектра (около 660 нм) при почти полной неэффективности других длин волн. Подобие спектров позволило считать, что зацветание растений как короткого, так и длинного дня контролируется одним и тем же пигментом.

Далее, свет сильно влияет на прорастание семян. Некоторые семена плохо прорастают в полной темноте, но быстро и хорошо при экспонировании на свету на протяжении нескольких минут. Оказалось, что спектр действия для этого эффекта подобен спектру действия для цветения.

Проросток (гороха), который выращивается в полной темноте, имеет очень длинный тонкий стебель, апикальный изгиб и почти не распустившиеся листья. Когда такой этиолированный проросток выставить только на короткое время на свет, листья после этого разворачиваются, изгиб начинает выпрямляться, удлинение стебля замедляется. Поэтому, появилась возможность заключить, что такие разносторонние реакции как прорастание семян, изменение этиолированного проростка (его деэтиолирование) и индукция цветения регулируются одним и тем же пигментом – рецептором.

Как определили, таким пигментом является фитохром. Фитохром – от греческого слова «растение» и «краситель». Фитохром представлен растворимыми в воде соединениями, относящимися к билихромпротеинам. Как и у фикобилинпротеинов (фикоцианобелин), хроматофор (пигментная часть молекулы) фитохрома представлен незамкнутыми порфиринами (тетрапирол). Другая часть молекулы образуется бесцветным белком. После поглощения фитохромом света с определенной длинной волны форма хроматофора изменяется, и, это в свою очередь, изменяет форму белкового компонента. Молекулярная масса фитохрома колеблется в зависимости от вида растения от 120 до 170 кДа. В составе фитохрома – одна полипептидная цепь. Существует, как предполагают, фитохром в клетке в виде димера.

Фитохром регулирует многие физиологические реакции, наблюдаемые при поглощении малых доз красного и дальнего красного света растениями, которые находились в полной темноте.

Фитохром находится в растениях в двух формах: Р₆₆₀ – поглощает красные лучи и превращается в Р₇₃₀; последний поглощает дальние красные лучи и переходит в Р₆₆₀ (рис. 6.16). Р₆₆₀ (Р_к) – физиологически неактивный.

Рис. 6.16. Схема биологического ответа при действии красного и дальнего красного света

Структура фитохрома представлена на рис. 6.17.

Рис. 6.17. Структура фитохрома

Реакции, управляемые фитохромом, зависят от концентрации Р₇₃₀ (Р_дк).

Полагают, что Ф₆₆₀ содержит на один протон больше, чем Ф₇₃₀ (см. рис. 6.17). Эта разница влияет на конформацию хромотофора и белковой молекулы, с которой он связан.

Фитохром присутствует в растениях, как уже отмечалось, в небольших количествах: его концентрация составляет около 1 мкМ. При этом он размещен в растении неравномерно, больше всего его в растущих, делящихся тканях, например в клетках меристемы. В клетках стебля он практически отсутствует.

До освещения красным светом фитохром обычно распределен по всей цитоплазме и ее мембранах, а после короткого освещения выявляется только в определенных частях клетки. Вероятно, эти части – ни ядра, ни пластиды, ни митохондрии, а, скорее, ЭР, разбросанный по всей цитоплазме. Длительное воздействие света приводит к появлению фитохрома уже и в ядрах. Подтверждают эти выводы эксперименты с изолированными субклеточными фракциями; однако, не все согласны с интерпретацией полученных данных.

Все же данные физиологических опытов позволяют предполагать, что фитохром может находиться в клетке во многих местах в соответствии с его многочисленными функциями. Вероятно, он локализован внутри этиопластов и митохондрий, или в их наружных мембранах, так как изолированные органеллы реагируют на воздействие красным и дальним красным светом, после их выделения. Предполагают, что фитохром находится (или каким-то образом связан) в плазмалемме.

Считают даже, что хроматофору фитохрома свойственна определенная ориентация в плазмалемме. Кроме того, вероятно, что фитохром изменяет свою ориентацию в мембране на 90 ^о при фототрансформации

Обычно реакции достигают насыщения, когда 50 % фитохрома представлена формой Р₇₃₀, и продолжается до той поры, пока имеется достаточное количество Р₇₃₀.

Превращение Р₆₆₀ ↔ Р₇₃₀ происходит также и in vitro. Как считают, оно связано с конформационными изменениями участков белковой части молекулы фитохрома. Этот процесс происходит через промежуточные этапы, потому что пигмент исчезает быстрее, чем появляется другой.

Из-за того, что Р₇₃₀ неустойчив, его количество в темноте уменьшается, что объясняется медленным тепловым превращением в Р₆₆₀ и довольно быстрым, по всей вероятности, окислительным разрушением, катализируемым металлами. Очень маленькое количество Р₇₃₀ остается при выдерживании растений в темноте.

Рис. 6.18. Схема превращения фитохрома

Потери фитохрома компенсируются in vivo его синтезом, который начинается по принципу обратной связи, когда суммарное количество фитохромов (Р₆₆₀ + Р₇₃₀) становится ниже порогового (рис. 6.18). Синтез пигмента (незамкнутого порфирина) происходит, как и синтез хлорофилла (циклического порфирина), через δ-аминолевулиновую кислоту.

Под влиянием Дк света Р₇₃₀ быстро и почти целиком (около 90 %) превращается в Р₆₆₀, а при красном свете Р₆₆₀ превращается в Р₇₃₀ примерно на 80 %.

Солнечный свет содержит приблизительно одинаковые доли К и Дк. Это приводит к равновесию Р₇₃₀/Р₆₆₀, при котором содержание Р₇₃₀ доходит до 50 % (во всяком случае, больше, чем в темноте). Поэтому в реакциях, регулируемых фитохромом, солнечный свет действует как красный.

Важная роль фитохрома обусловлена тем, что это единственный из растительных пигментов, который использует световые сигналы для управления развитием растения. Ряд ферментативных реакций, связанных с процессом фотосинтеза регулируются фитохромом.

В соответствии с общими представлениями, впервые высказанными Х. Мором (1966 г.), действие фитохрома связано в первую очередь с регуляторным влиянием Дк-формы на активность так называемых фотоиндуцибильных генов. В общем виде генетический путь трансдукции может быть представлен следующей схемой:

К → Дк → активация или репрессии гена → рост или снижение содержания РНК → модификация содержания белкового продукта → биологический эффект.

Кроме того, на основании полученных данных считают, что Са²⁺ и кальмодулин принимают участие в передаче сигнала от Дк-формы фитохрома к генетическому аппарату, а так же в этом процессе участвует и G-белок. Генетический механизм обеспечивает у растений медленные фитохромные ответы.

Однако, быстрые фитохроминдуцируемые эффекты (фотоиндуцируемые изменения потенциала, набухание хлоропластов и т. д.), вероятно связаны с модификацией мембранных структур. В механизмах мембранной трансдукции фитохромного сигнала важную роль играет Са²⁺.

Мембранный механизм передачи фитохромного действия имеет следующий вид:

К → Дк → изменение проницаемости мембраны для ионов Са²⁺ → временное изменение концентрации Са²⁺ в цитоплазме → включение кальций-зависимой биохимической системы → биологический ответ.

Кальциевый поток действует на активность кальмодулина, последний изменяет активность ферментов, например, протеинкиназ. Через действие катаболических ферментов может происходить активация фитогормонов, запускающих механизм ростовой фотореакции.

Так состояние фитохрома может регулировать качественный и количественный состав гормонов четырех типов – этилена, цитокининов, ауксина и гиббереллинов – в разных органах растения. Кроме того, длительное облучение иногда контролирует уровень АБК. В некоторых случаях внесение гормона может снижать эффект трансформации фитохрома (например действие гиббереллина при деэтиляции).

В природе фитохром, вероятно, контролирует форму растений и прорастание семян под пологом листвы, так как листья очень сильно поглощают свет в области 660 нм и относительно слабо – 730 нм. Фитохром может регулировать прорастание семян, деэтилирование, цветение, опадение листьев и даже старение.

Синий свет также регулирует фотоморфогенетические реакции, в частности движение устьиц, фототропизм, ранние этапы синтеза хлорофилла и каротиноидов, движение листьев за солнцем, фототаксис хлоропластов, угнетение роста гипокотилей и стеблей в длину. Фоторецепторы, участвующие в восприятии синего света, называют криптохромами.

У растений арабидопсиса выявлены соединения (криптохром 1, криптохром 2 и фототропин), которые воспринимают и передают сигналы синего света. Криптохропы – рецепторы синего света, локализованные в ядре и цитоплазме, включающие белковую и хромофорную составляющие. Функции хромофоров у криптохромов выполняют флавины (ФАД, деазафлавин) и (или) птерин.

Криптохромная система замедляет рост гипокотеля (или междоузлия) на свету, помогает фитохрому контролировать процессы диэтиоляции. Обе фоторецепторные системы (криптохром и фитохром), действующие в ядерном компартменте, дополняют друг друга, что сказывается в интеграции информации о физиологически важных областях спектра – синей и красной.

Фототропин представляет собой ассоциированный с мембраной белок, т. е. является мебранным рецептором синего света, функцию хромофора у которого выполняет флавин ФМН. Фототропин ответственен за фототропизм, хемотропизм и потенциалзависимые мембранные процессы.

Характер ответных реакций растений при освещении синим светом определяется его интенсивностью и длиной волны.

У папоротника Adiantum capillus-veneris был найден ген, гомологичный как фитохромам, так и фототропинам. «Двойной» фоторецептор был назван суперхромом. Как и фототропин, суперхром обладает протеинкиназной активностью.

Следовательно, если у одних растений фототропин взаимодействует с фитохромами опосредованно, то у Adiantum проблема взаимодействия красного и синего световых сигналов решена на уровне «двойного» рецептора.

Таким образом, конечная форма зеленого растения, обусловленная в целом его генами, определяется участием света, который действует через разные фоторецепторы.

Влияние температуры. Яровизация. Стратификация. Реакции на температуру, так же как на свет, у растений могут быть количественными и качественными. Скорость почти всех химических процессов с повышением температуры возрастает, достигает некоторого оптимума, а затем снижается. В отличие от этого многие процессы онтогенеза, например, прорастание семян, прерывание покоя почек, часто регулируется по закону «все или ничего». Это означает, что, например для низкотемпературной индукции требуется воздействие на протяжении какого-то минимального периода; приведенная закономерность напоминает фотопериодическую индукцию, при которой также необходимы определенные периоды темноты.

Влияние температуры, как мы уже отмечали, на физиолого-биохимические процессы характеризуют температурным коэффициентом:

При анализе зависимости роста растений от температуры выделяют три кардинальные точки: минимум (рост только начинается), оптимум (наиболее благоприятный период для роста) и максимум (прекращение роста). Кардинальные точки для различных растений неодинаковы. У теплолюбивых растений (кукуруза, огурец, дыня, тыква), все точки смещены в сторону более высоких температур.

В среднем минимальные температуры для роста растений умеренной зоны –5 – +15, оптимальные – +25 – +35, максимальные – +37 – +44 ⁰С. Растения подразделяются на теплолюбивые и холодостойкие.

Кривые зависимости скорости роста растения от температуры представлены на рис. 6.19.

Рис. 6.19. Влияние температуры на рост корней гороха (1) и колеоптилей кукурузы (2)

Пока еще окончательно неясно почему большинство растений повреждается температурами выше ~ 30 ^оС, тогда как ферменты или органеллы, выделенные из растений, при таких температурах обычно не повреждаются. Одно из возможных объяснений заключается в том, что мембраны клеток или органелл чувствительны к изменениям температуры из-за плавкости или затвердения жирных кислот в фосфолипидах. Известно, что растения при низких температурах синтезируют больше ненасыщенных жиров с более низкой температурой плавления. Обратное явление наблюдается при высоких температурах. Другая возможность состоит в том, что при повышенных температурах какие-то материалы, необходимые для роста, очень быстро разрушаются или не образуются в необходимых количествах. Во многих организмах имеются даже гены, «чувствительные к температуре».

У плесневого гриба Neurospora ген, ответственный за образование витамина В₂ (рибофлавин), хорошо функционирует при низких температурах, но плохо действует при более высоких. Поэтому при 35 ^оС гриб должен получать рибофлавин из вне. Подобным же образом может происходить у высших растений при недостатке витаминов, аминокислот, гормонов и т. д. Таким образом, можно было бы улучшить рост путем внесения необходимых веществ.

Очень маленькая скорость химических реакций в растении при низких температурах обеспечивает координацию изменения роста с климатическими изменениями. Кроме того, температура влияет на многие процессы, чувствительные к фотосинтезу. Некоторые растения можно заставить цвести с помощью длинных темных ночей или низких ночных температур.

Низкая температура может вызвать прорастание семян, сдвиги температуры могут прервать покой почек и подготовку к закладке цветочных бугорков.

Для появления всходов требуются более высокие температуры, чем для прорастания семян (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Температурные интервалы развития растений

Культура	Температура, оС
Прорастание семян	Появление всходов
Горчица, конопля Рожь, пшеница, ячмень, овес, горох, вика Лен, гречиха, люпин, бобы, нут, свекла Подсолнечник Кукуруза, просо, соя Фасоль, клещевина, сорго Хлопчатник, рис, кунжут	0–1 1–2 3–4 5–6 8–10 10–12 12–14	2–3 4–5 5–6 7–8 10–11 12–13 14–15

Оптимальная температура для роста корневых систем ниже, чем для надземных органов. Росту многих растений благоприятствует смена температуры в течение суток: днем повышенная, а ночью пониженная. Так, для растений томата оптимальная температура днем 26 ^оС, а ночью 17–19 ^оС. Это явление Ф. Вент (1957 г.) назвал термопериодизмом. Термомопериодизм – реакция растений на периодическую смену повышенных и пониженных температур, выражающая в изменении процессов роста и развития. Различают суточный и сезонный термопериодизмы. Для тропических растений разница между дневными и ночными температурами составляет 3–6 ^оС, для растений умеренного пояса – 5–7 ^оС.

Заложение и рост органов зависит также от соотношения температур воздуха и почвы. Например, у сахарного тростника при увеличении температуры воздуха с 13 до 23 ^оС и температуре почвы 16–17 ^оС число дней, необходимых для образования одного междоузлия уменьшается с 12 до 10 дней, а при температуре почвы 22 ^оС – до 7 дней.

Низкотемпературные воздействия, которые способствуют прорастанию семян, называют стратификацией, а облегчающие инициацию цветения – яровизацией.

Так как оптимальные температуры, необходимые для разных растений неодинаковые, то температура является важным фактором, влияющим на географические распространения растений, регулирует время цветения и плодообразования.

Низкие температуры, которые способны активировать цветение, воспринимаются верхушкой стебля, и поэтому активного перемещения внутреннего сигнала не требуется.

Растения, которым необходима яровизация, обычно требуют затем длинных дней для инициации цветения. В действии на семена световые и температурные сигналы так же взаимосвязаны. Высокая температура может вызвать переход некоторых семян в состояние покоя и для начала их прорастания необходимым световой сигнал, который воспринимается фитохромом; низкая температура может иногда устранить необходимость в свете. Эффект гиббереллинов бывает, подобен с действием низких температур, как на семена, так и на почки.

Итак, требования к температурам неодинаковы у разных видов растений, изменяются с возрастом, сезоном и могут быть разными даже у отдельных органов одного и того же растения.