меню

Следующий гормон биотического стресса – этилен (С2Н4). Это простое низкомолекулярное газообразное вещество обладает, тем не менее, очень значительным комплексным действием на растения. По основному характеру воздействия этилен можно назвать гормоном механического стресса.

Впервые эффект, который этилен оказывает на растения, обнаружил в начале ХХ века Д.Н. Нелюбов, выращивавший в своей лаборатории горох. Его растения имели утолщенные укороченные проростки с согнутой в форме петельки верхушкой (рис 1), которая, помимо прочего, проявляла еще и горизонтальный рост.

За неимением электричества в то время все освещали газом. Лаборатория Нелюбова не была исключением. Поэтому действие этилена было выявлено именно поочередной обработкой растений различными продуктами сгорания светильного газа. Это открытие позволило объяснить преждевременное опадение листвы у деревьев, растущих рядом с уличными светильниками или в местах аварий на газопроводе.

Рецепторы к этилену расположены в мембране. Эти белки-рецепторы представляют собой целое семейство и имеют различное фенотипическое проявление ответа на стресс. Они представляют собой гомодимерные гистидинкиназы. Этилен связывается с ионом меди, в результате чего конформация рецептора меняется, что приводит к его автофосфорилированию и вызывает фосфорилирование киназ внутри цитоплазмы. При этом блокируется ингибиторное действие протеинкиназы STR1 на рецептор EIN2, расположенный в ядерной мембране.

 

Мутанты ctr1 (рис.4) имеют все признаки растений, обрабатываемых этиленом, что позволяет сделать вывод о том, что без воздействия этилена CTR1 связана с мембранной гистидинкиназой и блокирует весь путь. Внутриклеточный каскад, запускаемый этиленом, может идти через МАР-киназы. В результате внутри ядра активируются различные транскрипционные факторы. Так, фактор EIN3 ( go ethylene- https://deilshlenik.info/petropavlovsk-kamchatskiy-kupit-zakladku-kokain-amfetamin-mefedron-geroin-mdma-ehkstazi-gashish.html insensitive) связывается с промотором белка ERF1, вызывая его транскрипцию. ERF1 (ethylene response factor) сам является транскрипционным фактором и взаимодействует с ERE-последовательностью (ethylene response element) в промоторах генов, продукты которых определяют ответ на этиленовый сигнал. На рисунке 3 показано, как путем ацетилирования и деацетилирования гистонов может происходить активация и сайленсинг генов. На картинке также изображен TATA-box сайт, который является важным цис-регуляторным элементом во многих генах: именно здесь начинает расплетаться двойная спираль (благодаря более слабым водородным связям пары А-Т), что необходимо для работы ДНК-зависимой РНК полимеразы. К нему присоединяются либо гистоны во время инактивации гена, либо факторы транскрипции TBP (TATA binding protein).Этилен может вырабатываться во всех клетках. Синтез гормона начинается с аминокислоты метионина и является частью цикла Янга, в ходе которого израсходованный метионин восстанавливается с затратой АТФ. Из метионина и АТФ S-аденозинметионин синтазой (SAM-синтаза) образуется S-аденозинметионин. Далее под действием АЦК-синтазы образуется метиладенозин, который далее участвует в реакциях цикла Янга, и 1-аминопропан-1-карбоновая кислота (АЦК). Под действием кислорода АЦК-оксидаза превращает АЦК в этилен и цианомуравьиную кислоту, которая разлагается на углекислый газ и цианид. Цианид не является смертельно ядовитым для растений из-за наличия у них в дыхательной цепи митохондрий альтернативной оксидазы, благодаря которой цианид не ингибирует митохондриальное дыхание.

Воздействие этилена на растение вызывает так называемый https://liborekin.info/yoshkar-ola-kupit-zakladku-kokain-amfetamin-mefedron-geroin-mdma-ehkstazi-gashish.html тройной ответ: угнетение роста побега продольным растяжением, усиление поперечного роста, нарушение геотропизмов.

  1. Нарушения тропизмов. В данном случае имеются в виду изменение отрицательного геотропизма побега, выраженного в горизонтальном росте макушки после формирования апикальной петельки (рис.1). Этиолированные растения синтезируют этилен в больших концентрациях, особенно сильно – в области растяжения ниже апекса. Этилен нарушает перераспределение переносчиков ауксина в клетках, тем самым изменяя полярный транспорт. В вогнутой части петельки образуется повышенная концентрация ауксина, что негативно сказывается на удлинении клеток. Биологический смысл данного ответа понятен: растению, не получающему света и не имеющему его источников для направленного роста, необходимо расти горизонтально, чтоб «найти» выход из области затенения как можно быстрее. Это же справедливо и для корней. При встрече растущего корня с препятствием, которое невозможно преодолеть, возникает стрессовая реакция, влекущая за собой синтез этилена. В результате корень принимает горизонтальное положение роста и может обогнуть препятствие.
  2. Известно, что комплекс синтеза целлюлозы в растениях расположен в мембране и выделяет наружу целлюлозные цепи, собирающиеся в микрофибриллы во внешней среде. Этот целлюлозосинтазный комплекс с внутренней стороны мембраны связан с микротрубочками и идет по ним, как по рельсам. В норме в клетках микротрубочки расположены поперек оси удлинения клетки, соответственно, фибриллы целлюлозы откладываются перпендикулярно направлению растяжения, формируя каркас наподобие пружины. Этилен вызывает в растениях переориентацию цитоскелета из микротрубочек. Кортикальные микротрубочки приобретают продольное расположение, и фибриллы целлюлозы начинают откладываться тоже продольно, в результате клетки теряют способность к удлинению в вертикальном направлении и приобретают возможность расти горизонтально. Фенотипически это проявляется в сильно укороченном росте растений и утолщенном стебле.
  3. У многих растений водных сред обитания этилен образуется в ответ на постоянное затопление. В данном случае синтез фитогормона вызывает утолщение тканей органов и образование аэренхимы – особой воздухоносной ткани с крупными межклетниками.
  4. Этилен является главным гормоном старения. Как уже говорилось ранее, это основной гормон, отвечающий за сбрасывание листьев (абсцизовая кислота – ответ на засуху). К листопаду приводит множество разных факторов, таких как физиологическая сухость, накопление ядовитых веществ, понижение температуры и уменьшение длины светового дня, механический стресс. Опадение листьев (а также плодов и других частей растения) происходит путем образования отделительного слоя (рис.5) у основания черешка листа. Под влиянием этилена рядом с местом отделительного слоя начинается частичное опробковение тканей. При этом выделяются пектиназы, целлюлазы и другие ферменты, разрушающие клеточные стенки уже непосредственно в месте будущего разделения. Из остатков разрушенных полисахаридов образуются олигосахарины, вызывающие дальнейшее размягчение тканей. В конечном счете механическая прочность настолько сильно уменьшается, что лист легко опадает. Сам процесс закладки отделительного слоя зависит от баланса между ауксином и этиленом. Когда ИУК много, этиленовые сигналы блокируются; при падении концентрации ИУК клетки черешка листа становятся чувствительными к эндогенному этилену.

5. Этилен ингибирует рост корней в длину, но важен для образования боковых корней и образования корневых волосков (рис.6).

  1. Благодаря механическому стрессу этилен способствует закладке механических тканей в стеблях растений. Данная закономерность является объяснением одной из причин проблем в известном проекте «Биосфера-2», созданном в конце ХХ века для моделирования жизни в потенциальных колониях на Марсе. По условиям проекта комплекс должен быть полностью изолирован от внешней среды и автономен, чтоб соответствовать условиям Марса. Внутри «Биосфереы-2», чья площадь занимала 1,5 га, были созданы искусственные биотопы, в том числе тропический и мангровый леса, саванны и пустыни. Среди многочисленных бед, которые не давали растениям нормально развиваться, можно назвать и отсутствие ветра. Ветер, дующий на растения, воздействует на них механически, что вызывает выработку этилена и стимулирует образование механических тканей. Проведя всю жизнь в таком полном «штиле», деревья «Биосферы-2» имели тонкие и очень хрупкие стволы.
  2. Созревание плодов. Развитие плода начинается с оплодотворения завязи. Уже при прохождении пыльцевой трубки сквозь ткань столбика начинается механическое воздействие на ткани, которое приводит к выработке этилена. Этилен будет активно принимать участие в дальнейшем развитии цветка и формировании плода. Он же вызывает увядание стерильных элементов цветка и тычинок, поэтому в цветоводстве часто срезанные цветы обрабатывают ингибиторами этилена. Исключением являются Бромелиевые, у которых этилен, наоборот, стимулирует цветение. При формировании и созревании плодов, что можно рассматривать как процесс старения, этилен действует на разные растения по-разному. Плоды проходят фазу так называемого интенсивного дыхания, которая может происходить в разное время: при созревании (такие плоды называются климактерическими) и при старении – (неклимактерические плоды). Плоды с климактерическим типом дыхания при обработке этиленом ускоряют свое созревание. К ним относятся бананы, томаты, персики, груши, яблоки. У плодов, не имеющих пика дыхания при созревании (вишня, земляника, виноград, цитрусовые),этилен не вызывает ускоренного созревания. Свойства климактерических плодов, вырабатывающих эндогенный этилен при дыхании, широко используются в торговле. Так, сорванные зеленые бананы в тропических странах транспортируются в рефрижераторах, из которых постоянно откачивается и отфильтровывается этилен. Непосредственно перед отправкой потребителю плоды обрабатывают этиленом, за счет чего они быстро созревают. То же с томатами. Собранные зеленые плоды кладут в темное место (как уже было сказано, этиоляция тоже представляет собой механический стресс и способствует биосинтезу этилена), где они постепенно дозревают. Если к ним положить уже спелый или даже слегка подпорченный плод (т.е. активно вырабатывающий этилен), созревание пойдет гораздо быстрее.

  1. Этилен влияет на заживление ран. Всякое ранение связано с сильным механическим стрессом, и, соответственно – с выработкой этилена. При ранении под действием этилена происходит образование раневого камбия, который экзархно откладывает раневую перидерму. Перидерма представлена прочной гидрофобной тканью, создающей непроницаемый барьер перед раной.

Латекс у растений – коллоидный раствор, содержащий диспергированные микрочастицы каучука, эмульгированные поверхностно-активными веществами. Такую природу имеет и млечный сок бразильской гевеи (Hevea brasiliensis). Каучук в млечниках растения содержится в виде жидкого сока, а при повреждении быстро твердеет, закупоривая таким образом рану и предотвращая проникновение патогенов. На затвердение латекса влияет именно этилен. На плантациях гевеи широко используются ингибиторы этилена. 

  1. Борьба с патогенами и вредителями. Находясь всю жизнь в относительно неподвижном состоянии и не имея возможности спастись от опасности бегством, растения вынуждены «вооружаться» целым арсеналом биохимических методов защиты. В этом, надо сказать, они достигли совершенства. Механизмы иммунного ответа растений довольно сложны и затрагивают практически весь метаболизм клеток. Кажется невероятным, однако иммунная защита растений настолько продумана, что может сравниться с иммунитетом животных. Так, у растений есть как избирательный и локальный иммунный ответ, так и комплексные неспецифические реакции. Растения развивают иммунологическую память к патогенам, которая сравнима с вторичным иммунитетом животных и представляет собой изменение хроматина в генах устойчивости к патогенам.

В некоторых формах иммунного ответа участвует и этилен.

Известный пример защиты растений от фитофагов – выделение таннинов африканскими акациями. Когда антилопы поедают листья деревьев, выделяется этилен, в ответ на который акации образуют токсичные для животных полифенольные соединения – таннины. Интересно, что этилен, будучи летучим веществом, попадает в воздух и распространяется с ветром, из-за чего растения на довольно большой площади начинают вырабатывать таннины и становятся ядовитыми.

В некоторых растениях под воздействием этилены вырабатываются фитогемагглютины, склеивающие эритроциты, и разнообразные ингибиторы протеиназ, нарушающие пищеварение.

Для борьбы с насекомыми и низшими грибами растения имеют специфические ферменты – хитиназы. Хитиназы разрушают покровы насекомых и клеточные стенки грибов, содержащие хитин. Кроме того, продукты распада хитина служат специфическими «антигенами», которые распознаются растениями. В результате в клетках растений отключаются системы гашения активных форм кислорода, и возбудитель подвергается воздействию разнообразных активных форм кислорода (пероксид водорода, супероксид-анион, и др.). При этом часть растительного организма уничтожается вместе с возбудителем в ходе реакции сверхчувствительности, в которой этилен тоже играет немаленькую роль.

Этилен вызывает в клетках, находящихся рядом с зоной поражения, синтез фитотоксинов – фитоалексинов. Фитоалексины – это вещества разнообразной химической природы (гликозиды, терпеноиды, алкалоиды, фенольные соединения). Существует и множество других играющих важную роль в защите растений веществ: например, это лектины, ингибиторы протеиназ, и т. д., как действующие как против патогена, так и усиливающие защитные характеристики самого растения.

Как было указано ранее, высокие концентрации ауксина вызывают эффекты, противоположные характерным для данного гормона. В частности, обработанные высокими концентрациями искусственного ауксина (2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота и другие вещества) растения воспринимают это как стрессовую ситуацию и отвечают эндогенным синтезом этилена, приводящим к листопаду. Это свойство было использовано армией США во время военных действий против партизан во Вьетнаме. Растения обрабатывали печально известным «Agent Orange». Помимо экологической катастрофы на большой территории – уничтожения тысяч гектар растительности - пострадали также и люди. Входящие в состав «Agent Orange» диоксины (рис.8) представляют собой опаснейшие мутагены. Жертвами этой акции стали свыше миллиона человек.

 

 Мы уже рассмотрели «гормоны побега» и «гормоны корня» - ауксины и цитокинины. Их общий эффект связан со стимуляцией тех или иных физиологических процессов. Существует еще одна большая группа гормонов, которая оказывает на растения влияние со знаком «плюс». Гормоны этой группы носят название "гиббереллины". Они по праву могут быть названы – по аналогии с предыдущими двумя – гормонами листа.

Многие открытия делаются при попытках решить какую-либо проблему вполне бытового характера. Подобная история и привела к обнаружению гиббереллинов. В Японии довольно широко распространено заболевание риса, называемое баканоэ, что означает «бешеный рис». Больные растения имеют аномально длинные и тонкие побеги, склонные к полеганию из-за слабо развитых механических тканей. При этом зерна на растениях практически не бывает. Болезнь стали активно изучать, и в 1926 Эйичи Куросава выделил ее возбудителя, которым оказался гриб Fusarium monoliforme (ранее Gibberella fujikuroi).  Из этого патогена было получено стимулирующее рост риса вещество, которое и назвали гиббереллином. Позднее была установлена его структурная формула, представляющая собой гиббереллиновую кислоту ГК3 (номер отражает порядок открытия). 

Основные места синтеза гиббереллинов – молодые листья и листовые примордии, но они также могут синтезироваться и в корнях. По типу пути биосинтеза гиббереллины относятся к дитерпеноидам. Их образование проходит в трех различных компартментах клеток растений под влиянием различных факторов, таких как ауксин и сигналы от фитохромов. Несколько начальных этапов синтеза являются одинаковыми для всего дитерпеноидного ряда веществ. В пластидах происходит конденсация четырех изопреновых (изопентинилпирфосфат, диметиаллилпирофосфат) фрагментов с образованием типичной дитерпеноидной структуры, которая в дальнейшем претерпевает циклизацию с образованием энт-каурена, имеющего общий для всей группы гиббановый скелет. Энт-каурен выходит из пластиды и направляется к ЭПР, на мембране которого  проходит несколько этапов окисления. Дальнейшее окисление и преобразование промежуточного продукта в разнообразные гиббереллиновые формы, в том числе, ГК1 и ГК4, происходит в цитоплазме.

Гиббереллины – это самый многочисленный класс растительных гормонов, их известно более сотни. Существуют как активные, так и неактивные формы, функции которых до сих пор неизвестны. При этом в разных растениях могут быть активны различные молекулы, а в одном растении может быть найден не один десяток гиббереллиноподобных веществ, но активным среди них будет только одно. Главными и наиболее распространенными природными гиббереллинами  являются ГК1 и ГК4.

Транспорт гиббереллинов по растению идет в основном неполярно, по флоэме и ксилеме, на небольшие расстояния - путем диффузии. Таким образом, миграция гормона происходит во всех направлениях от точки синтеза.

Эффекты гиббереллинов довольно схожи с эффектами ауксинов, однако есть и различия.

  1. Гиббереллины действуют в основном на интеркалярные (вставочные) меристемы и поэтому в значительной мере способствуют удлинению междоузлий, расположенных рядом с молодыми листьями (так как это – место синтеза гормона). Это особенно важно, например, в фазу видимого роста, которая наступает весной в средней полосе. Очевидно, что чем крупнее лист, тем больше гормона в нем сможет образоваться, и, соответственно, тем длиннее будет его междоузлие. Это позволяет объяснить наличие особой структуры у растений с закрытыми почками – почечного кольца. Чешуи почки не вырабатывают гормон, поэтому интеркалярная меристема в междоузлиях не работает. При обработке гиббереллинами капусты (рис.3), вместо формирования апикальной почки -  кочана, будет наблюдаться сильное вытягивание побегов с растянутыми междоузлиями.

Гиббереллины могут выступать в роли стимуляторов цветения. В розеточных растениях междоузлия у листьев прикорневой розетки очень короткие, а на цветоносном побеге - длинные. Видимо, синтезируемые крупными листьями розетки гиббереллины начинают действовать не в месте образования, а преимущественно транспортируются в верхние части растения. Синтез гиббереллинов в данном случае связан с изменением длины светового дня. Таким образом, можно вызвать цветение длиннодневных растений даже при недостаточной длине светового дня, обработав их гиббереллинами.

Механизмы удлинения междоузлий пока в основном остаются неясными. Известно, что гиббереллины способны, как и ауксины, запускать образование фермента (ксилоглюканэндотрансгликозилаза), расщепляющего сшивочные глюканы клеточной стенки, но без закисления среды.

Блокаторы гиббереллинов, а также мутантные растения с нарушениями синтеза этого гормона широко используются в сельском хозяйстве, где с их помощью повышают урожай относительно биомассы, и в декоративном растениеводстве - для создания карликовых форм.

  1. Стимуляция роста корня с блокадой ризогенеза (образования боковых корней). Тут наблюдается эффект, противоположный действию ауксинов в высоких концентрациях.
  2. Прорастание семян. Основной эффект гиббереллинов заключается в том, что они запускают мобилизацию и переработку запасных веществ в семенах в ответ на внешние стимулы (свет, температура). К этим процессам относятся, например, запуск окисления жиров и их преобразование в сахара через глиоксилатный цикл у тыквенных, преобразование гранул запасных белков у бобовых, гидролиз крахмала до глюкозы у злаковых и так далее. Процент проросших семян, луковиц, клубней и скорость их прорастания возрастает с увеличением концентрации гиббереллинов. Наиболее важным и хорошо изученным эффектом, который оказывают эти гормоны, является прорастание зерновок злаковых, а точнее – ячменя (на этом основано производство пива).

Зерновка злака (рис.5) - это сухой паракарпный плод с приросшим к семенной кожуре околоплодником. Внутри находится триплоидный эндосперм. Он состоит из мертвых остатков клеток и запасает крахмал, только наружный слой, который называется алейроновым, представлен живыми клетками, богатыми белками. Зародыш контактирует с эндоспермом через специализированную структуру – щиток. При инициации прорастания из щитка в эндосперм выделяются β–амилазы и гиббереллины, которые, попадая в алейроновый слой, вызывают синтез амилаз (α-амилазы). α-амилазы расщепляют крахмал до глюкозы, β–амилазы - до мальтозы, которую мальтаза затем расщепляет до глюкозы. Помимо этого, в алейроновом слое при связывании гиббереллинов с рецепторами в плазматической мембране образуются глюканазы, разрушающие сшивочные глюканы, протеазы, РНКазы. ГК, действуя на мембранный рецептор, вызывают внутриклеточный каскад реакций (рис.5В), приводящий к снятию ингибирования транскрипции генов ферментов с одной стороны и к секреции ферментов - с другой. Протеазы расщепляют белки до аминокислот, из которых и синтезируются ферменты. Синтезированные амилазы секретируются алейроновым слоем и гидролизуют крахмал эндосперма. Далее глюкоза будет поглощаться зародышем через щиток. Чем ниже уровень синтеза гиббереллиновых кислот, тем меньше всхожесть семян и тем менее качественным сырьем для производства солода они являются.

  1. Пробуждение спящих почек, в том числе – клубней и луковиц. Ауксин в этой ситуации выступает в качестве ингибитора.
  2. Партенокарпия при обработке незавязавшихся неопыленных плодов. Таким образом получают, например, бессемянные плоды банана, винограда, у которого без обработки ГК бессемянные сорта дают очень мелкие ягоды (рис.6).

  1. Проявление пола растений. Были поставлены опыта на двудомных растениях огурца, у которых обработка ГК стимулировала образование мужских цветков, а обработка цитокинином и ауксином – женских. Тот же эффект наблюдается у однодомных растений конопли. Однако на кукурузе была получена обратная картина – в зависимости от сроков, при обработке соцветий ГК3 либо образовывалось больше женских цветов, либо мужские становились стерильными. Надо сказать, что в данном вопросе еще много неизвестного, да и сами упомянутые эксперименты проводились давно.

Культуры клеток являются неотъемлемой частью разнообразных лабораторных исследований. Выращивание стерильных культур клеток животных началось около 100 лет назад, однако клетки растений довольно долгое время никак не поддавались содержанию на питательных средах в лабораториях. Были выделены многие метаболиты растений, частично исследованы механизмы роста, в среду для культивирования добавляли ауксины... Не помогали и разнообразные экстракты дрожжей и растений, а также выделенная из молок сельди ДНК. Клетки в культуре лишь вяло делились и чаще всего скоро прекращали развитие. Однако в ходе наблюдений выяснилось, что кокосовое молоко и флоэмные экссудаты могут стимулировать деление клеток. Таким образом, было очевидно, что существует некое вещество, ответственное за пролиферацию клеток.

Ни для кого не секрет, что многие открытия происходят по чистой случайности или даже из-за неосторожности и несоблюдения методики. Так получилось и в этом случае. Перед посадкой культуры помещенную в автоклав среду перегрели, и внезапно именно на этой среде культура стала нормально расти, а клетки - делиться. Было выделено вещество, индуцирующее деление: им оказался 6-фурфуриладенин, названный кинетином (от слова «деление»). Как выяснилось, при нагревании и разрушении ДНК часть аденинов отсоединяется от сахарного остатка и претерпевает пренилирование по шестому положению. Действующее вещество было выделено Миллером в 1955 году. Таким образом, кинетин – это искусственный цитокинин, являющийся, в отличие от природных аналогов, термостабильным.

Первый природный цитокинин – зеатин - вскоре был выделен из эндосперма кукурузы (Zеа) в 1961 году.

Важнейшие из цитокининов, которые встречаются в растениях в свободном виде – N6-изопентениладенин (IPA) и транс-зеатин (tZ) (рис.1).

Природные цитокинины также являются производными аденина. В ходе синтеза к азотистому основанию рибонуклеотида (АМФ) цитокинин-синтаза (изопентенилтрансфераза) присоединяет изопентенильную группу в 6-ом положении, а далее происходит дефосфорилирование с последующем отщеплением рибозы (рис.2).

Интересно, что цис-зеатин и изопентениладенин могут входить в состав тРНК, но, по-видимому, «образования» гормона при ее распаде не происходит.

Цитокинины в клетке могут быть инактивированы путем коньюгации с сахарами или путем окисления с удалением пренилового остатка.

Биосинтез цитокининов происходит в основном в апикальной меристеме корня, но также может протекать в листьях, семенах, плодах и элементах флоэмы. Концентрация гормона в основном убывает по мере удаления от места синтеза.

Рецепторы цитокининов (например, белок CRE 1) расположены на клеточной мембране, причем наружный фрагмент связывается с цитокинином, а внутренний, находящийся в цитозоле, обладает киназной активностью (типичные димерные гистидинкиназы). Связывание гормона индуцирует фосфорилирование рецептора по остатку гистидина. Предполагается, что рецептор взаимодействует с МАР-киназной системой (mitogen-activated protein). МАР-киназные пути в клетках приводят к изменению программы развития, активируя разнообразные факторы транскрипции, то есть влияя на реализацию генетической информации и клеточный цикл. Многие механизмы этих путей остаются плохо изученными.

В отличие от ауксинов, для цитокининов не существует полярного транспорта: они переносятся пассивно и  неполярно по растению снизу вверх по ксилеме (рис.4).

Как и ауксины, цитокинины вызывают множество физиологических эффектов.

  1. Аттрагируюций эффект. Как и апекс побега, апекс корня нуждается в питательных веществах.

Если провести эксперимент (рис.5), в ходе которого на отделенные от растения листья будут наносить питательные вещества (меченный глицин 14С) и цитокинин (кинетин), то можно выявить ряд показательных закономерностей.

Возьмем три двухлисточковые части сложного листа. В первом случае нанесем глицин только на один из двух листочков; во втором на один глицин, на второй - кинетин; в третьем случае - и глицин и кинетин, но только на одну листовую пластинку.

По окраске листьев (на картинке, на самом деле – по распределению радиоактивной метки) можно судить о перераспределении питательных веществ. В первом случае более интенсивно окрашенной будет листовая пластинка, обработанная глицином; во втором наблюдается перетекание веществ из листочка, обработанного глицином,  в обработанный кинетином; в третьем – окрашена только область вокруг точки внесения веществ.

Данный опыт наглядно демонстрирует аттрагирующие свойства гормона.

Цитокинины можно назвать гормонами «молодости» растений (в противоположность этилену). Действительно, с помощью привлечения питательных веществ в определенный орган растения можно замедлить и остановить старение этого органа. Такой эффект можно наблюдать, обрабатывая цитокининами листья деревьев по осени: обработанная листва останется зеленой и не будет опадать.

Этим же объясняется и монокарпия некоторых растений (цветут один раз в жизни). Помимо двулетних, существуют также растения, которые растут не один десяток лет, чтоб потом один раз зацвести и умереть (бамбук, агава). Возможно, при цветении генеративные структуры настолько сильно обедняют цитокининами растение, что оно умирает «от истощения».

  1. Дифференцировка клеток. Цитокинины в основном функционируют в зоне деления корня и, транспортируясь вверх с ксилемным током, накапливаются в апикальной меристеме. При этом происходит контакт цитокининов с камбием, что вызывает пролиферацию его клеток.
  2. Развитие хлоропластов
  3. Снятие апикального доминирования. Нормально функционирующая корневая система должна быть хорошо обеспечена продуктами ассимиляции, что также позволяет нарастить вегетативную массу. Сигналы от корня к побегу, вызывающие рост его частей (в том числе и почек), передаются с помощью цитокининов.
  4. Открытие устьиц происходит в случае поступления из корня богатой цитокининами воды, а их закрытие - если полученные растворы бедны этим гормоном (и обогащены абсцизовой кислотой).
  5. Подавление роста боковых корней. Действительно, если цитокинина много, то главный корень хорошо функционирует, поэтому в образовании боковых корней необходимости нет.
  6. Стимуляция роста бессемянных плодов (партенокарпия). Она тоже связана с аттрагирующим эффектом цитокининов.

Взаимодействие цитокининов и ауксинов

Таким образом, ауксины можно назвать гормонами благополучия побега, влияющими на растяжение клеток, а цитокинины – гормонами благополучия корня, вызывающими пролиферацию клеток. Развитие растения очень сильно зависит не просто от концентраций этих двух гормонов, но от баланса между ними. На примере культуры in vitro (рис.6) можно наблюдать активный ризогенез при смещении равновесия в пользу ауксина, и образование побеговой системы - в случае преобладания цитокинина. Если нет ни одного из гормонов, то деления не происходит, а если в избытке оба, то видно нарастание каллусной массы. Обнаружено, что ауксины активируют циклин-зависимые киназы (CDK), а цитокинины – соответствующие циклины. Комплекс CDK-циклин необходим для клеточного деления.

Взаимодействие гормонов можно наглядно продемонстрировать и на примере целого растения, например, при черенковании. Отделенная веточка представляет собой нормально развитый побег, и, соответственно, там идет синтез ауксина. А вот корней нет, и поэтому там наблюдается явная нехватка цитокининов. Благодаря полярному транспорту ауксины идут по побегу вниз, накапливаются у основания и вызывают ризогенез. Наоборот, если взять корень, богатый цитокининами, у его верхушки происходит накопление гормона, вызывающее пробуждение спящих почек  или образование каллусной массы и геммагенез.

Обратите внимание на положение камбия: он находится между ксилемой, транспортирующей вверх цитокинины, и флоэмой, по которой вниз идут ауксины. Таким образом, камбий получает одновременно оба гормона. При избытке цитокинина происходит преимущественная закладка флоэмы, при избытке ауксинов – ксилемы.

К биосинтезу цитокининов также способны представители бактерий, грибов, насекомых и нематод. Такие особенности были сформированы в ходе длительной коэволюции этих организмов и растений. Так, например, личинки бабочки Stigmella вырабатывают цитокинины, чтобы предотвратить увядание пораженных листьев, которые в итоге остаются зелеными даже во время осеннего листопада.

Фитопатогенные грибы, вырабатывающие ауксин, стимулируют разрастание растительных тканей, что ведет к образованию так называемых «ведьминых метел» - структур, которые образуются в результате аномально частого ветвления веток деревьев.

Многие бактерии, способные к синтезу цитокининов и ауксинов, вызывают опухоли растений. Примером служит знаменитая Agrobacterium tumefaciens - агробактерия корончатых галлов у растений, которая является одним из основных инструментов в биотехнологии благодаря своей способности трансформировать геном растения участками собственных плазмид.

 

Растения представлены самыми разнообразными по внешнему виду, форме и размерам организмами. Это могут быть как миниатюрные особи, вроде мохообразных, так и гиганты размером в 110 метров. Для координированного управления таким гигантским телом необходим постоянный обмен сигналами между различными его частями.

Действительно, как «понять» корню стометрового растения, что где-то наверху развилось большое количество листвы, увеличилась площадь транспирации, и поэтому ему необходимо активно расти, чтобы снабжать организм водными растворами? Каким образом, будучи неподвижным, почувствовать вредителей и избавиться от них?

Для этих и многих других случаев у растений, как и у животных, есть специализированные системы передачи информации: электрическая, действующая локально путем изменения мембранных потенциалов клеток; трофическая, обусловленная потоками различных синтезированных внутри растения (эндогенных) веществ; и самая важная – гормональная, где ключевую роль играют сигнальные молекулы, которые называются фитогормонами. Фитогормоны (дословно с греческого – растительные возбудители) являются низкомолекулярными регуляторными эндогенными веществами, которые способны транспортироваться по растительному организму и вызывать различные тканеспецифичные ответы, но не участвующие во всевозможных метаболических путях непосредственно. Важным свойством всех гормонов является способность действовать в очень небольших концентрациях (примерно 1*10-5 моль/л и меньше).

Действие фитогормонов заключается в изменении программы развития, что выражается комплексным изменением активности клеток и тканей: рост, растяжение, синтез пептидов и всевозможных метаболитов. Любая растительная клетка способна к синтезу всего разнообразия гормонов. Как и гормоны животных, растительные гормоны очень тесно взаимодействуют между собой. Небольшое изменение баланса в гормональной системе серьезно сказывается на различных уровнях организации тела растения.

Гормоны являются первичными мессенджерами в сигнальных путях. Они связываются с рецепторами на клеточной мембране или внутри клетки, и дальше по каскаду вторичных мессенджеров информация передается до конкретной эффекторной системы.

В 1859 году Чарльз Дарвин написал свой известнейший труд «Происхождение видов», давший начало не просто новому этапу развития биологии, но и изменивший мировоззрение миллионов людей. Но не так много людей знает о других работах этого замечательного британского естествоиспытателя. Среди его исследований многие посвящены исследованию физиологии растений. Именно Дарвин в 1857 году в книге «Насекомоядные растения» высказал мнение о том, что растения не только растут и живут, но также обладают чувствами и движениями. Сын Чарльза Дарвина, Фрэнсис Дарвин, вместе с отцом ставил на растениях опыты, которые мы бы сейчас назвали физиологическими.

 Очевидно, что светочувствительность и способность расти по направлению к свету (положительный фототропизм) является очень важной особенностью растений. Опыты по поиску светочувствительной части растений и были поставлены Чарльзом и Фрэнсисом Дарвинами (рис.1)

Деление клеток у растений происходит в особых тканях, называемых меристемами, одной из таких меристем побегов является апикальная (верхушечная) меристема. В некоторой области (субапикальной) под меристемой новообразованные клетки удлиняются и наблюдается рост побега. Было обнаружено, что если освещать проростки с одной стороны, то растения будут поворачиваться к источнику света, при этом изгиб будет формироваться как раз в зоне под меристемой.

В ходе самого опыта проростки канареечной травы освещали с одного бока и в результате наблюдали изгиб верхушки. Изгиб наблюдался и в случае, когда субапикальная зона была закрыта плотным материалом. А вот если закрыть макушки проростков, изгиба наблюдаться не будет. На основе данных эксперимента можно сделать вывод о том, что за световосприятие у растений ответственна меристема, и она, передавая какие-то сигналы нижележащей области, заставляет клетки в ней неравномерно удлиняться, что и обуславливает изгиб.

То, что этот сигнал является химическим веществом, было выявлено в опыте Ф.Вента. Похожие опыты независимо ставили Тиманн и Холодный.

В ходе этого эксперимента у растений отрезали меристему и переносили ее на агар. Из меристемы в агар выделялись разнообразные вещества, в том числе и интересующее исследователя. Затем эти агаровые блоки переносились на побеги с удаленной меристемой. И в том случае, когда использовали агаровый блок с веществами из меристемы, проростки начинали расти. Если же поместить блок только на край побега, то наблюдается изгиб, причем в сторону, противоположную блоку.

Вызывающее данный эффект химическое вещество, названное ауксином (от латинского слова расти), было выделено Ф.Кёглем из мочи вегетарианцев. Ауксины - это группа разнообразных химических веществ, основное из которых – гетероауксин или β-индолилуксусная кислота (ИУК), синтезируются в основном в апикальной меристеме побега и в растущих листьях, являются гормонами роста в небольших концентрациях, а также ингибиторами роста - в высоких. Последний эффект позволяет использовать синтетические аналоги ауксинов в качестве гербицидов. Применяемыми синтетическими аналогами часто являются 2,4-дифеноксиуксусная кислота, 1-натилуксусная кислота, индолмаслянная кислота. Эти вещества в растении могут превращаться в ИУК.

Есть несколько путей синтеза ИУК из триптофана (рис.4). В основном пути L-Trp под действием трансаминазы превращается в индол-2-пируват, который после декрабоксилирования и окисления превращается в ИУК. Интересно, что часть ИУК в растениях может иметь бактериальное происхождение. Такое наблюдается в случае заражения бактериями корончатого галла (Agrobacterium tumefaciens). В ходе заражения происходит трансформация растительных клеток плазмидой, несущей гены, отвечающие за неконтролируемый растениями синтез ИУК.



Инактивация и депонирование избытка гормона происходит путем взаимодействия со специфическими сахарами и белками. Распад идет путем окисления в присутствии молекулярного кислорода.

Ауксины по растению могут в незначительной степени транспортироваться по флоэме, основной же транспорт идет от клетки к клетке, что определяется наличием специальных трансмембранных переносчиков. Протонированная форма активно закачивается в клетку белком AUX1, депротонированная АУК выкачивается из клетки белком PIN. При этом AUX и PIN расположены на разных полюсах клетки, что обеспечивает полярный транспорт гормона. Это особенно важно при развитии и закладке разных частей растения. В присутствии ингибиторов полярного транспорта ауксина наблюдаются аномальные разрастания частей растения и изменение общего габитуса.

Ауксины имеют широкий спектр действия на растения, проявляющийся во множестве физиологических эффектов. Перечислим некоторые из них.

  1. Аттрагирующий эффект. Места синтеза и накопления ауксинов привлекают потоки питательных веществ, необходимых для деления и роста клеток.
  2. Растяжение клеток. Клеточная стенка растений содержит сшивочные гликаны (устаревшее: гемицеллюлоза). Эти полисахаридные молекулы сшивают между собой фибриллы целлюлозы, создавая таким образом жесткий каркас по типу матраса. Внутри клеток тонопласт создает тургорное давление, которое сдерживается жесткой структурой клеточной стенки. Во внеклеточном пространстве содержатся ферменты (экспансины, ксилоглюканэндотрансликозилазы) которые при закислении внеклеточной среды расщепляют связи между сшивочными гликанами, и фибриллы целлюлозы под действием давления расходятся.

Этот процесс вызывается ауксином. ИУК имеет 2 рецептора связывания внутри клетки (рассматриваемые в данном случае). Один (APB-1) находится на внутренней мембранной сети и индуцирует везикулярный транспорт. Второй рецептор внутриядерный и является репрессором промотора гена синтеза протонной помпы. При связывании ИУК с репрессором активируется транскрипция гена помпы, которая далее при трансляции встраивается в мембрану ЭПР и затем транспортируется в везикуле (усиленно за счет APB-1) к плазмалемме и встраивается в нее. Протонная помпа за счет гидролиза АТФ закисляет среду.

С растяжением тесно связаны всевозможные тропизмы растений, кроме гравитропизма, который происходит иначе (рис.6). В корневом чехлике присутствуют статолиты, представленные амилопластами с крахмальными гранулами. С их помощью растение «узнает» о направлении вектора силы тяжести. В соответствии с этим вектором в клетках кончика корня выстраиваются органеллы, а также белки трансмембранного переноса ауксина. Ауксин транспортируется по васкулатуре к кончику корня, где происходит смена направления его транспорта на 180° с помощью различных белков семейства PIN, и транспорт происходит в направлении от корневого чехлика по кортексу. Если корень расположен ортотропно, ауксины распределяются равномерно по всему цилиндру кортекса, и удлинение его клеток в зоне растяжения происходит равномерно. Если корень расположен более-менее горизонтально, то происходит переориентация потока ауксинов преимущественно на нижележащую сторону, где гормон угнетает растяжение, тем самым вызывая изгиб корня по вектору силы тяжести.

Ауксин влияет на дифференцировку клеток в растениях. Потоками ауксина размечаются места закладки прокамбия, т.е. проводящих пучков. Пучок формируется там, где поток ауксинов разворачивается внутрь меристемы.

 Он также отвечает за закладку и развитие ксилемы. Под действием ауксинов происходит вторичное утолщение, пролиферация камбия.Ауксин влияет на дифференцировку клеток в растениях. Потоками ауксина размечаются места закладки прокамбия, т.е. проводящих пучков. Пучок формируется там, где поток ауксинов разворачивается внутрь меристемы.

  1. Ауксины отвечают за эффект апикального доминирования, заключающийся в том, что с потоками гормона боковые почки получают сигнал о благополучии апикальной и не растут. Чем дальше от верхушки, тем слабее сигнал, поэтому почки начинают расти, и наблюдается базитонное ветвление (рис.7Б). При удалении апекса побега (снятии эффекта апикального доминирования) первыми трогаются в рост почки, находящиеся выше всего, т.е. первые, до которых перестал доходить сигнал, это акротонное ветвление (А).

Эффект апикального доминирования также снимается при цветении. Этим можно объяснить существование соцветий типа дихазий.

       5. Будучи ответственны за закладку проводящих пучков в меристеме, ауксины также определяют листорасположение. Согласно одной из гипотез, для закладки проводящего пучка необходимо определенное количество гормона, поступающего из клеток меристемы. Таким образом, существует некая фиксированная площадь, под которой потом будут закладываться проводящие ткани. Ближе, чем позволяют границы этой площади, соседний проводящий пучок не сможет возникнуть. А, поскольку каждый проводящий пучок принадлежит определенному листу, расположение примордиев (зачатков) листа будет соответствовать расположению этой площади. В зависимости от индивидуальных характеристик растения, от размеров его меристемы (количества этих площадей в одном круге) будет зависеть филлотаксис.

       6. Увеличение листовой массы растения вызывает увеличение площади транспирации, что должно сопровождаться более интенсивным поглощением почвенных растворов. Соответственно, ауксины стимулируют ризогенез, заключающийся в закладке боковых и придаточных корней. На этом основано действие сельскохозяйственных препаратов типа Корневина.

  1. Ауксины могут стимулировать развитие плодов без опыления (явление партенокарпии), что используется при получении бессемянных плодов.

Класс Сосальщики (Trematoda).

Их тело лишено ресничек, листовидное, могут обладать кутикулярными шипиками, помогающими фиксировать паразита в теле хозяина. Кроме того для прикрепления они обладают двумя присосками: на переднем и брюшном концах тела. Пищеварительная система как и у всех плоских червей слепо замкнутая, имеет две и более ветвей. В связи с развитием паразитического образа жизни органы чувств у них развиты слабо, а  половая система может продуцировать огромное количество яиц. Давайте рассмотрим базовый жизненный цикл на классическом организме – печеночной двуустке. Половозрелая особь обитает в печени позвоночного животного (например, коровы), затем яйца через заднюю кишку должны попасть в воду, где из них выводится личинка – мирацидий, покрытая ресничками. Эта личинка имеет глаза и органы чувств, а также стилеты для пробуравливания в ткани промежуточного хозяина, коим является прудовик. Когда мирацидий находит свою жертву, он вбуравливается через тело и попадает в печень. В печени он сбрасывает реснички  и становится спороцистой, которая производит партеногенетические яйца, из которых вылупляются редии, которые, в свою очередь производят церкариев. У церкария имеется «хвост», он выходит  обратно в воду, затем инцистируется, прикрепившись к растениям. Цисты проглатыват окончательный хозяин, цикл замыкается. Как можно заметить, что в жизненном цикле присутствуют 3 поколения: 1 половое и 2 партеногенетических. У человека могут паразитировать кошачья, печеночная, ланцетовидная двуустки. Промежуточным хозяином ланцетовидной двуустки является не водная, а наземная улитка, стадии мирацидия у них нет, улитка проглатывает яйцо. Церкарии наружу выделяются вместе со слизью и поедаются муравьями. Зараженные перепончатокрылые меняют свое поведение, не прячутся, висят на травинках, где и заглатываются окончательным хозяином – овцой.

Жизненный цикл печеночного сосальщика

Важно помнить, что не все сосальщики являются гермафродитами. Например кровяная двуустка – это раздельнополый организм, другое его название – шистосома. Этот паразит распространен в тропических странах, взрослая особи (по-другому – марита), раздельнополы, живут вместе. Более крупный самец держит самку у себя на брюшном желобке. Паразитируют в крупных венах, выделяя каждые 10 мин яйцо с шипами в кровоток. Яйца повреждают стенку мочевого пузыря и выходят вместе с мочой. Также яйца могут застрять в мелком сосуде, тогда они вызывают кровоизлияния и нарывы и выходят наружу вместе с гноем. Это очень трудноизлечимое заболевание, в мире им болеет примерно 200 млн человек.

Самец (крупный) и самка (мелкая) шистосомы

Жизненный цикл шистосомы

Класс ленточные черви (Cestoda).

Именно этих червей и называют в обиходе глистами и гельминтами. Также взрослые особи этих червей встречаются в основном поодиночке в организме хозяина, поэтому их называют солитерами (от фр. le solitaire — одинокий).  Тело состоит из трех типов члеников: головки (сколекса), на котором расположены присоски или крючья. По наличию крючьев этих червей разделяют на вооруженных и не вооруженных, например, бычий цепень – невооруженный, а свиной – вооруженный. Затем идет шейка и длинное тело, состоящее из члеников – проглоттидов. Каждый членик – гермафродитный, но имеет разную степень развития женской и мужской половых систем. После того как произойдет оплодотворение  и членик наполнится яйцами, он оторвется и будет выведен через заднюю кишку хозяина. Длина тела солитеров может достигать 30м. Основным хозяином цепней является человек, а промежуточным – крупный рогатый скот или свиньи. Из яйца выходит онкосфера – личинка с крючьями, она пробуравливает стенку кишечника, попадает в кровоток и оседает в печени, мышцах, мозгах. Затем онкосфера окружается пузырьком, становится финной. В таком состоянии человек и заражается ими, если употребит плохо прожаренное мясо.  Стоит отметить, что свиной цепень более опасен для человека не только потому, что он вооруженный, но и потому, что яйца могут развиваться и в организма человека, если попадут через ротовое отверстие в кишечник (это связано с тем, что человек и свинья имеют сходные физиологические и биохимические особенности), и онкосферы могут осесть в мышцах и головном мозге, что очень опасно.

Еще одним опасным ленточным червем является эхинококк. Он мелкий, размером всего 5 мм. Основным хозяином являются псовые, а промежуточным – человек и крупный рогатый скот. Финны эхтнококка образуют большие пузыри, в которых образуются дочерние, как матрешка. Обычно финны оседают в печени, в более тяжелом случае – в мозге человека. Обычно их удаляют операционным путем. От хирурга требуется большое мастерство, так как если задеть этот пузырек, то финны разнесутся по всему организму и осядут в разных органах.

Жизненный цикл эхинококка

Следующий представитель ленточных червей обитает в тонкой кишке человека (окончательный хозяин), вызывает дифиллоботриоз, сопровождающийся болями в животе, анемией. Заражение происходит при употреблении рыбы, не прошедшей термическую обработку, а также сырой щучьей икры. Яйца, попадая в водоем, сохраняют жизнеспособность до 6 месяцев. Для развития ресничная личинка, вылупляющаяся из яйца должна быть проглочена водным рачком циклопом. В циклопе она трансформируется в процеркоида. Когда циклопа съедает рыба, паразит оседает у нее в мышцах и превращается в плероцеркоида, имеющего сколекс для прикрепления. Затем при плохой термической обработке рыбы паразит может попасть в кишечник человека, где трансформируется в половозрелую особь.

Жизненный цикл широкого лентеца

Класс Моногенеи (Monogenea).

Это плоские черви, имеющие на заднем конце тела прикрепительный диск – гаптор. Обычно обитают на коже и жабрах рыб и земноводных. Имеют присоски на переднем конце тела, которыми прикрепляются к хозяину во время питания. Жизненный цикл без смены хозяев, расселительная стадия – реснитчатая личинка онкомирацидий. Могут вызывать массовую гибель рыб, например, от удушья, когда они сотнями поселяются на жабрах. Интересным представителем является Monogenea gyrodactilys, которая представляет собой настоящую матрешку: внутри взрослой особи есть яйцо  с эмбрионом, внутри которого развивается еще одно яйцо!

Класс Цестодообразные (Cestodaria)

Раньше представителей этого класс объединяли с цестодами (у них также отсутсвует пищеварительная система), однако впоследствии их выделили в отдельный класс, так как они имеют нерасчлененное тело, единичную половую систему, личинка имеет 10 крючков, а не 6, как у онкосферы цестод. Паразитируют на остеровых рыбах и химерах.

Мобильное

Готовьтесь к олимпиадам по биологии на своем мобильном устройстве! Скачайте приложение и читайте бесплатно перевод известного учебника Campbell biology!

Для Android

Для iOS

Вверх