Лекція №5 Гормональна система рослин
Рослинна клітина як частина багатоклітинного організму повинна не тільки виконувати свої функції, спрямовані на підтримку власної цілісності, але й функціонувати узгоджено з іншими клітинами. Саме тому між клітинами має відбуватися обмін інформацією. Одна група клітин у своїй стає " відправниками " сигналу, іншу група клітин сприймає його. Якщо сигнал має хімічну природу, молекулу, що виконує сигнальну функцію, називаютьпервинним месенджером (від англ. "message"-"послання", "повідомлення").
Рослинна клітина сприймає різноманітні хімічні стимули та реагує на них. Так, зміна концентрації цукрів у флоемному струмі, олгігомерні цукру та фрагменти хітину, індолілоцтова кислота, брассиностероїди та ін. викликають фізіологічну реакцію. Серед цього досить великого списку хімічних речовин можна виділитигормони рослин.
Для того, щоб речовина віднести до гормонів, необхідно, щоб вона мала наступні властивості.
1. Речовина викликає специфічну фізіологічну відповідь у певних клітин. Особливість рослинних гормонів у тому, що вони запускають великі програми розвитку не лише на рівні клітин, а й на рівні тканин, органів, цілої рослини.
2. Речовина синтезується в самій рослині однією групою клітин, а відповідає на неї інша (роз'єднано місце синтезу та місце дії, тобто необхідний транспорт сигнальної речовини по рослині). Як правило, фітогормони є низькомолекулярними сполуками (не більше 2кДа). Можливо, це пов'язано з необхідністю транспорту рослиною. Зазначимо, що до синтезу фітогормонів потенційно здатна будь-яка клітина рослин.
3. Речовина практично не відіграє ролі в основному метаболізмі клітини, що використовуєтьсятільки для сигнальних цілей.
Крім того, іноді ці властивості розширюють, додаючи додаткових якостей.
4. Речовина повинна діяти в низькій концентрації (низькою вважають концентрацію починаючи з 10 -5 моль/л).
Всі ці правила введені для того, щоб обмежити коло речовин, які традиційно вважають рослинними гормонами. Однак, простіше перерахувати речовини, які в науковій літературі називають гормонами. Основних груп класичних гормонів – п'ять.
1. Ауксин. 2. Цитокінін. 3. Гібберелліни. 4. Абсцизини. 5. Етилен.
Часто до цього списку додають інші речовини: брассиностероїди, жасминовую кислоту, саліцилову кислоту, деякі фенольні сполуки та ін.
Насправді всі класичні властивості мають небагато гормонів (наприклад, ауксини). Абсцизини зазвичай діють у точці синтезу, поширюючись лише на невелику відстань. Етилен транспортується лише як попередника; феноли, саліцилова та жасминова кислоти діють у концентраціях, що перевищують 10 -5 моль/л.
Крім гормонів, до сигнальних молекул можна віднестиолігосахарини (так називають олігосахариди з фізіологічною активністю),лектини (білки, здатні вступати у взаємодію з полісахаридами) і короткіпептиди. Діюча концентрація цих речовин часом дуже низька - близько 10 -12 ═ - 10 -15 моль/л.
Ауксини - гормони росту втечі.
Історія відкриття ауксинів.
У 1880 році Чарльз Дарвін та його син Френсіс Дарвін поставили перед собою проблему: яким органом рослини сприймають світло. Рослини, що стоять на підвіконні, повертаються до сонця, пагони та листя згинаються у бік найбільшого освітлення. Причому вигин відбувається в зоні трохи нижчеверхівки. Дарвіни за допомогою світлонепроникної ширми ізолювали від світла субапікальну область, в якій зазвичай відбувається вигин. При бічному освітленні вони виявили, що рослини згинаються до світла, хоча зона вигину не доступна сонячним променям. Незачиненою залишалася тільки верхівка (стебловий апекс) проростка, і логічно було її накрити чорним ковпачком. Справді, після цього вигину у бік світла немає, хоча зона вигину освітлена сонцем з одного боку. Результати Дарвінов незаперечно говорили про те, що напрямок світла сприймає верхівка проростка (апекс) і передає інформацію про направлення світла в зону, що лежить нижче. Дарвіни припустили, що верхівка виробляє хімічну сполуку, яка транспортується вниз і викликає нерівномірне зростання. Гіпотетичну речовину Дарвіни назвалиауксином (від грец.ауксо - росту).
Гіпотеза Дарвінов була єдиним поясненням спостерігалися явищ. Так, сигнал міг передаватися у вигляді електричних імпульсів і призводити до того ж результату. Висунуте Дарвінами припущення потребувало експериментальної перевірки.
Через 50 років після дослідів Дарвінов наш співвітчизник Холодний та його німецький колега Вент незалежно поставили нову серію експериментів, щоб вивчити природу сигналу, що передає інформацію з апексу втечі в субапікальну зону вигину.
Речовина, що передає сигнал з однієї частини рослини в іншу, має бути добре розчинною у воді. Значить, якщо відрізати багато апексів втечі і помістити їх у воду, то в розчин разом з іншими речовинами перейде і гіпотетичний ауксин. Потім потрібно зробити так, щоб з одного боку в проростку виявилося більше "ауксину", а з іншого - менше. Для цього верхівку з власними ауксинами потрібно видалити, а на зріз зякогось краю нанести водний екстракт.
Однак, працювати з водним розчином було важко – екстракт розтікається по зрізу. Тоді досвід видозмінили. Апекси мали на поверхні тонкого шару агарового гелю. У піддослідної рослини видаляли верхівку і збоку накладали на зріз кубик агару, в якому, ймовірно, містився ауксин. Рослини завжди вигиналися у бік, протилежний накладеному агаровому блоку. Як контроль використовували агаровий блок, не просочений екстрактом апексів втечі. І тут вигину не відбувалося.
Холодний і Вент зробили висновок, що гіпотетичний ауксин справді існує та викликає розтяг клітин. Можна було припустити, що з односторонньому висвітленні ауксин перетікає на затінений бік і викликає вигин до світла.
Не маючи в руках виділеного препарату чистого ауксину, Вент і Холодний вивчили основні властивості цієї сигнальної речовини. Так, якщо вирізати зону вигину та накладати агаровий кубик знизу (з базального боку), то вигину не буде. Це означає, що ауксинрухається по рослиніполярно (тобто в строго заданому напрямку) - від апекса втечі до його основи, а потім - до кінчика кореня. Було виміряно швидкість транспорту ауксинів. Для цього на ділянку заданої довжини поміщали зверху агар з ауксином, а з низу агаровий блок без ауксину. Верхній агаровий блок був донором ауксинів, а нижній - своєрідним колектором. Нижній блок через рівні проміжки часу замінювали на новий. Всю отриману серію нижніх блоків аналізували на проростках щодо наявності ауксинов.Швидкість транспорту ауксинов зазвичай становить від кількох міліметрів до кількох сантиметрів на годину.
Однак, необхідно було виділити ауксин у чистому вигляді. Німецький хімік Кегль у 1939 роцідосліджував хімічний склад сечі вегетаріанців. Він зазначив, що на відміну від сечі інших людей, вона містить нову речовину, яку вдалося виділити та розшифрувати її формулу. Це булаіндолілоцтова кислота (ІУК ). Щоб навчитися визначати її у малих кількостях та вивчити її фізіологічні властивості, Кегль випробував ІУК у різних живих системах. З'ясувалося, що ІУК здатна посилювати зростання проростків із відрізаною верхівкою, як і ауксин. Якщо накласти агаровий блок з ІВК асиметрично, відбувається характерний вигин субапикальной зони.
Лише через 6 років з верхівок пагонів було виділено ту ж саму сполуку - індолілоцтова кислота - і стало ясно, що вона і є одним з акусинів. До теперішнього часу питання про інші сполуки ауксинової природи остаточно не вирішено. Відомий ряд речовин, що мають ауксинову активність (фенілоцтова кислота, індолілпіровіноградна кислота), але їх активність нижче, ніж у ІУК і вони менш поширені.
Крім них хімікам вдалося синтезувати речовини, що викликають такий самий фізіологічний ефект, як і природні ауксини. Оскільки вони не зустрічаються в рослинах, їх називають синтетичними аналогами ауксино. Серед них згадаємо лише2,4-Дихлорфеноксиоцтову кислоту (2,4-Д ) таa-нафтилоцтову кислоту (НУК ). Синтетичні аналоги ефективно зв'язуються з рецепторами ауксину, проте слабко взаємодіють із системою транспорту чи окисної деградації природних ауксинів.
Біосинтез та деградація ауксинів.
Ауксини синтезуються в різних рослин різними шляхами. Довгий час вважалося, що ІУК утворюється єдиним шляхом з амінокислоти триптофану. Цей процес відбувається як мінімум на три стадії: (1) декарбоксилювання, тобто. видаленняСО2; (2) дезамінування, тобто. видалення NH2-групи; (3) окислення, тобто. видалення електроно. Деякі рослини не обмежуються цим набором реакцій, а включають метаболізм ауксинів сполуки сірки, і біосинтез розтягується на 6 і більше стадій.
Є ще один шлях синтезу ІУК, у якому триптофан не бере участі. Деякі рослини здатні експлуатувати обидва шляхи: триптофановий та "нетриптофановий" і перемикають їх залежно від обставин (див. рис.).
Після утворення ауксин часто піддається подальшим перетворенням. Так, ІУК може зв'язуватися з цукрами, амінокислотами чи навіть білками, утворюючи неактивні (запасні) форми. При необхідності ІУК можна звільнити з цих сполук та відновити її фізіологічну активність. Цікаво, що в класичних дослідах Дарвінов з канарковою травою синтезу ауксину у верхівці колеоптилю не відбувається ІУК утворюється в період зростання зародка насіння, а коли зернівки дозрівають, ІУК переходить у форм неактивного глікозиду. При проростанні глікозиди ИУК транспортуються в апекс проростка, де відбувається вивільнення активного ауксину, і вже вільна ІУК розподіляється по колеоптилю трави канарки залежно від освітленості.
Окрім утворення неактивних кон'югатів, ІУК може руйнуватися. Це відбувається або специфічно (за допомогою ІУК-оксидази), або неспецифічно (поліфенолоксидазою, яка, крім ІУК, може працювати з різноманітними фенольними сполуками). В обох випадках втрата ауксину непоправна.
Таким чином, у міру віддалення від точки синтезу концентрація ауксинів падає за рахунок незворотного окислення та зв'язування у неактивні форми.
Мутанти.
Для вивчення генетичного контролю метаболізму та функції ауксинів використовують ауксинові мутанти.Виділяють два типи мутантів:
1. Мутанти із порушенням синтезу. Такі мутанти називають гормонзалежні чи гормондефіцитні. Характерною рисою мутантів цієї групи відновлення нормального фенотипу при додаванні гормону, тобто. є можливість одержувати фенокопії дикого типу. 2. Мутанти із порушенням чутливості до гормону. Серед них виділяють стійкі (resistant) та чутливі (sensitive) форми: стійкі характеризуються здатністю зростання на максимальних концентраціях гормону, тоді як чутливі форми не здатні рости на нижчих концентраціях гормону порівняно з диким типом, при цьому тканини або цілі рослини гинуть .
Самок велику кількість ауксинових мутантів отримано у арабідопсису, тютюну та томатів. Ауксинові мутанти, як правило, менше за розміром, з маленьким зморщеним листям, укороченим черешком, уповільненою геотропічною реакцією, погано розвиненою кореневою системою; з підвищеною кущистістю та недорозвиненням судинної системи.
Ауксистійкі мутанти: AXR-1-4 (auxin-resistens), TIR-1-3 (transport inhibitor response), MP (monopteros), SUR (superroot), Agr-1-3 (порушення гравітропізму) та ін.