Фітогормони та гени

Ми розглянули принцип дії ауксину на розтяг клітин - цю складну, до кінця не вирішену загадку природи. Як уже згадувалося, дія ауксину може викликати швидкі та повільні реакції. Швидкі пов'язані з виникненням біопотенціалів, а повільні – з генною регуляцією.

Існує думка, що існує якийсь посилюючий механізм дії гормонів. Можливо таким механізмом є активна робота білків-ферментів.

Для складних інтегральних процесів, які викликають фітогормони, очевидно, потрібна реалізація цілих генетичних програм, які раніше вимкнені. Припускають, що гормони рослин викликають морфологічні ефекти через "включення" певних генів.

Експериментально це підтвердилося у небагатьох дослідах. Досі найпереконливішим прикладом на користь "включення" генів гормонами служить індукція гібереліном синтезу ферменту α-амілази в насінні ячменю. Цей фермент необхідний проростання насіння. Він розщеплює запасний крохмаль на цукор в ендоспермі насіння. Таї при замочуванні насіння, позбавленого зародка, активність ферменту ?-амілази не зростає. Але якщо до такого насіння, по суті ендосперму, додати гіберелілін, активність ферменту різко збільшується. Отже, при замочуванні насіння із зародка в ендосперм надходить гіберелін, що викликає синтез великої кількості ?-амілази, і відбувається розщеплення крохмалю.

Радіоізотопними аналізами доведено, що відбувається не активація ферменту, яке новий синтез з амінокислот. Але синтез ферменту контролюється геном, тому допустима думка про гормон, що активує цей ген. До проростання він був повністю вимкнений, а при проростанні під дією внесеного гібереліну клітини алейронового шару ендосперму почали синтезуватиу великій кількості ?-амілазу та інші ферменти.

Отримано дані про зміну активності багатьох білків-ферментів у рослинах під дією не тільки гібереліну, а й інших фітогормонів - ауксину та цитокініна. Активність ферментів змінюється тільки двома шляхами: завдяки активації наявних молекул або за рахунок нового синтезу. В останньому випадку це пов'язано з впливом на ген або групи генів клітини. Механізм впливу гормонів на гени клітин рослин дуже мало вивчений, а сьогоднішні знання про будову геному вищих еукаріотичних (ядерних) клітин організмів недостатньо вичерпні.

Відомо, що геном вищих багатоклітинних організмів рослин або тварин містить спадкову інформацію для створення та життєдіяльності всього різноманіття спеціалізованих клітин. До того ж у процесі розвитку кожного шляху спеціалізації клітини реалізується лише з численних спадкових програм. Більшість із них перебуває у "вимкненому" стані. І лише в певних умовах зовнішнього та внутрішнього середовища може відбутися їхнє "включення". Так, на активність генів великий вплив мають такі чинники, як температура, освітлення та харчування. Але особливу увагу дослідники приділяють фітогормон.

Згідно з сучасними уявленнями, фітогормони регулюють експресію генів у рослині, тобто складний ланцюжок подій від зчитування інформації з гена до синтезу білка. Події відбуваються так:

Фітогормони діють різних рівнях. Насамперед вони можуть впливати на матричну активність хроматину. Спадкова програма розвитку організму зашифрована в окремих ділянках ДНК – структурних генах. Молекули ДНК оточені білковими молекулами, переважно гістонами, які вимикають зчитування інформації. Тут можлива точка програмифітогормонів, які можуть змінити структурний стан хроматину В даний час отримані докази посилення активності хроматину під впливом фітогормону. Так, американський біохімік рослин Дж. Боннер встановив, що гіберелін збільшує активність хроматину в очах бульб картоплі при виведенні зі стану спокою. Були отримані і подібні дані дії ІУК та цитокінінів на інших об'єктах.

Фітогормони взаємодіють у рослинній клітині з білками-рецепторами, подібно до гормонів тварин, і утворюють своєрідний гормон - рецепторний комплекс, який вже проникає в ядро і вступає в контакт з хроматином. Однак про рецептори гормонів ми знаємо дуже мало, тому що виділити такі рецептори із клітин тварин, а особливо рослин – нелегко.

Наступний рівень впливу гормонів також пов'язані з реалізацією спадкової інформації. Тут можливі "точки застосування" фітогормонів на специфічні ферменти РНК - полімерази, здатні "пізнавати" певні гени і синтезувати гігантські молекули - попередники інформаційної РНК (пре-іРНК). У дослідах із листям ячменю було показано, що цитокінін посилював синтез усіх типів РНК і особливо іРНК, що, безсумнівно, пов'язано з підвищенням активності полімерази РНК. Молекули пре-іРНК зазнають змін і перетворюються на різні іРНК - джерело інформації, що контролює синтез необхідного білка.

Але в іРНК важкий шлях з ядра до органел клітини - рибосом - місця синтезу білка. Спочатку іРНК зв'язуються з білками ядра, утворюючи так звані ядерні інформосоми, потім при виході звідти вони звільняються від ядерних білків і знову зв'язуються з білками цитоплазми, створюючи цитоплазматичні інформосоми. Припускають, що таким шляхом заздалегідь можна вважати генетичнупрограма розвитку і потім зберігатися у вигляді інформосом у цитоплазмі клітин. І тут, мабуть, фітогормони можуть регулювати "включення" інформосом - перехід з активного в активний стан, що передує синтезу білка.

І, нарешті, регулювання експресії генів не виключено і на рівні трансляції - синтезу білка в рибосомах. Загалом у рослин цей рівень регуляції вивчений мало. Але вже є перші обнадійливі відомості про те, що під дією цитокініна збільшуються активність рибосом та синтез білка.

Отже, гормони не тільки регулюють ріст та розвиток клітини, а й водночас є надклітинними механізмами регуляції. Доказом служить легкість, з якою фітогормони переміщуються в рослині за розвиненою системою комунікацій - провідних судин флоеми та ксилеми, здійснюючи тим самим спільні зв'язки між різними органами.

Хотілося б знову наголосити, що зростання - один з найважливіших фізіологічних процесів, від яких залежить продуктивність рослини. На думку доктора біологічних наук В. І. Кефелі, якщо ми зможемо своєчасно перемикати у рослини програми розвитку, наприклад формування господарсько-корисних для людини органів, ми зможемо прогнозувати і оптимальний врожай. Поки що невідомо, які механізми головні у цих процесах. Однак не викликає сумніву, що роль генів та гормональних механізмів у перемиканні програм розвитку рослини – провідна. Тому вже зараз у селекції при створенні високопродуктивних сортів звертають увагу на оптимальний баланс гормонів та інгібіторів зростання. Пізнання його внутрішніх механізмів – мета майбутніх робіт генетиків, фізіологів, селекціонерів.

А розшифрувавши механізм дії та структуру фітогормонів, можна цілеспрямовано створювати штучні аналоги гормонів.сільськогосподарського виробництва, що відрізняються від нинішніх хімічних регуляторів та меншою токсичністю, та швидкою специфічною дією.

Життя рослини неможливо зрозуміти, вивчаючи її на молекулярному, клітинному чи тканинному рівні, як не можна описати життя колонії бджіл на основі спостережень над окремою бджолою. У лабораторіях, теплицях та на дослідних полях на різних рівнях дослідження – від клітинних мембран, органел та ізольованих клітин до органів та цілих рослин – ведуть вчені важкі пошуки механізмів, що регулюють зростання рослини. Ці механізми – ключ до розгадки управління життям рослини.