WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Авторы монографии – Рощина Виктория Владимировна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Науки ...»

-- [ Страница 1 ] --

1

Авторы монографии – Рощина

Виктория Владимировна, доктор

биологических наук, ведущий

научный сотрудник Федерального

Государственного Бюджетного

Учреждения Науки Института

биофизики клетки Российской

Академии Наук,

Рощина Валентина Дионисьевна,

профессор, доктор биологических

наук.

Основные исследования,

опубликованные на русском и

английском языках, посвящены

растительным выделениям: составу,

механизмам действия, включая

хемосигнализацию в межклеточной

Предыдущие печатные издания книги “Выделительная функция высших растений” коммуникации Электронная версия монографии-учебного пособия «Выделительная функция высших растений»

подготовлена под редакцией проф. А.Ю.Буданцева в Электронном издательстве «Аналитическая микроскопия» (рег. Свидетельство Эл № 77- 6072 Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой информации от 4 февраля 2002 г.) Администратор Сервера http://cam.psn.ru : А.Б.Петров © Электронное издательство “Аналитическая микроскопия”

Рецензенты:

Попов В.И., главный научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института биофизики клетки РАН, доктор биологических наук, профессор Пущинского госуниверситета, Новицкий Ю.И., ведущий научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, доктор биологических наук, Новицкая Г.



В., старший научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязевa РАН, кандидат биологических наук Аннотация Выделительная активность растений является проявлением фундаментальных свойства всех живых организмов в виду необходимости иметь возможность обмена веществами и энергией с окружающей средой. Электронная монография представляет собой обобщение данных мировой литературы об экскреторной деятельности высших растений и иллюстрацию многих аспектов проблемы собственными экспериментальными данными авторов. Издание представляет интерес для исследователей и преподавателей Вузов биологических специальностей. Оно может использоваться в качестве учебного материала в соответствующих курсах биофизики, физиологии, биохимии и экологии растений, а также фармакологии. Книга является также основой спецкурса ”Выделительная функция растений”. В ней рассматриваются клеточные аспекты секреции, внутритканевой и внешней секреции, газоэкскреции и экскреции веществ в экстремальных условиях, а также биологические эффекты растительных экзометаболитов. Секреторная функция рассматривается на клеточном, тканевом и организменном уровнях. Описаны выделительные структуры, химическая природа, биохимические пути синтеза растительных экскретов в норме и стрессовом состоянии, определена их роль в общей системе регуляции растений. Рассмотрено значение фитоэкскретов как фитонцидов, аллелохимикатов, природных пестицидов и регуляторов роста.

ОГЛАВЛЕНИЕ

–  –  –

Предисловие к электронному изданию Выделительной функции растений были посвящены первая монография на русском языке, вышедшая в 1989 году в издательстве “Наука”, и второе ее расширенное издание 1993 года на английском языке, опубликованное в издательстве “Springer-Verlag”. Оба издания цитируются исследователями различных лабораторий в России и зарубежом и используются в лекционной практике преподавателей ВУЗОВ. Прошло время, стали классическими сделанные в двадцатом веке работы пионеров исследований экскреторной системы растений – Б.П. Токина, Г.Молиша, А.Фрей-Висслинга, Г. Грюммера, Э.Райса, А.Д. Гродзинского, В.П. Иванова, М.В. Колесниченко и др. Появилась необходимость подготовить новое издание, включающее последние достижения в изучении выделительной функции, и сделать общедоступными знания в этой области науки.





Рассматривая развитие исследований по проблеме выделительной функции высших растений за последние годы, следует отметить ряд достижений. Прежде всего, благодаря развитию микроскопической техники (люминесцентной и конфокальной микроскопии и др.) расширились и углубились знания о структуре и функциях выделительных органов и отдельных специализированных секреторных клеток. Состав секреторных клеток растений как источников биологически активных веществ подробно изучается биохимиками и химиками на изолированных секреторных органах. В первое десятилетие двадцать первого века достижения генной инженерии были впервые применены для анализа генов, кодирующих образование компонентов секретов и формирование секреторных клеток.

Умножились и знания о химической природе экскретируемых веществ, известных как вторичные соединения, и их месте в основных метаболических путях, хотя они еще специально не рассмотриваются как экзометаболиты и не уделено внимания их физиологической роли. Однако фармакологи стали уделять большее внимание структуре и содержимому секреторных клеток лекарственных растений.

Появились новые сведения о взаимодействии экзометаболитов, экскретируемых секреторными клетками, как хемосигнальных веществ с воспринимающими клетками других организмов. Возникли и развиваются представления о хемосигнализации и регуляции с помощью таких соединений, как нейротрансмиттеры, терпены и др. Эти представления широко внедряются в области аллелопатии (химического взаимовлияния организмов в биоценозе) и медицины. Явление аллелопатии впервые описано для растений, но в настоящее время стало общебиологической проблемой для всех живых организмов – от микроорганизмов до растений и животных. Широко распространены в медицине представления о необходимости для человека и животных использования в лечебных целях фитонцидов и лекарственных соединений, выделяемых секреторными клетками растений. Комплексы таблеток из смесей трав с фитонцидными свойствами выпускаются в Японии и для ветеринарии.

Все эти достижения, так или иначе, формируют необходимость рассмотреть выделительную функцию растений как самостоятельные разделы физиологии, биофизики и биохимии растений, что отражено в третьем печатном издании нашей монографии 2012 года в Академическом Издательстве Lambert. Параллельно для учебных и познавательных целей широкой аудитории нам представлялось необходимым опубликовать данный материал с цветными иллюстрациями в электронном виде в качестве учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Выделительная деятельность растения является проявлением основного свойства жинвых организмов - постоянного обмена веществ и энергии с окружающей средой. Взяв за основу классификации метаболические процессы, Фрей-Висслинг [Frey-Wyssling, 1935] разделил продукты выделительной деятельности организмов на рекреты, секреты и экскреты. Рекретами названы вещества, которые после поглощения из внешней среды, не подвергаются изменениям в процессе клеточного метаболизма (вода, соли). Секреты являются продуктами ассимиляции, и для их образования и выделения требуется затрата энергии клеточного метаболизма. Экскреты - конечные продукты обмена веществ, неиспользуемые больше в метаболизме.

В соответствии с этими названиями именуются и процессы выделения, что можно проиллюстрировать схемой:

Однако применительно к растениям классификация не является совершенной и, как справедливо замечает Тьюки [Тukey, 1970], многие авторы испытывают затруднения при ее использовании. Так, например, соединения, обычно относящиеся к экскретам (эфирные масла, оксалаты, смолы), как доказано с помощью меченых атомов, могут вовлекаться в клеточный метаболизм и, следовательно, не удовлетворяют основной характеристике этой группы. Затруднительно отнести к какой-нибудь группе газообразные соединения, которые накапливаются во внутренней воздухе растения и при определенных условиях выделяются с водяным паром [Новицкая, 1966; Рощина, 1971, 1973а], а также многие другие соединения, о путях образования которых и их функциях пока ничего или очень мало известно. Поскольку практически трудно определить, к какой группе следует отнести то или иное вещество, многие ботаники все выделяемые растениями вещества называют обобщенно или секретами, или экскретами [Эсау, 1969].

Изучая роль растительных выделений, были сделаны попытки разделить выделяемые продукты по их происхождению и способу действия. Наибольшей известностью пользуется классификация Б.П. Токина [Токин, 1957], которому принадлежит термин “фитонциды”, Г. Грюммера [Грюммер,1957], А.М. Гродзинского [Гродзинский, 1965]. Здесь мы их не рассматриваем, так как в научной литературе указанные системы обсуждались уже неоднократно.

После второго Всесоюзного симпозиума по проблеме летучих биологически активных соединений биогенного происхождения в 1971 г. для обозначения растительных выделений стал широко использоваться термин экзометаболиты, под которыми подразумевают органические соединения, выделяемые высшими и низшими растениями в окружающую среду в процессе нормальной жизнедеятельности [Рощина, 1974; Тамбиев, 1984]. Продукты лизиса и повреждения клеток, которые также обладают хорошо выраженным физиологическим действием, предложено называть внеклеточными продуктами [Тамбиев, 1984]. Мы считаем нужным указать, что и эта терминология только до некоторой степени является удовлетворительной, поскольку трудно в природных условиях отличить экзометаболиты от внеклеточных продуктов. Как справедливо утверждает Б. П. Токин (1957, 1980а), в природе нет не раненных растений. Для веществ выделяющихся при экстремальных воздействиях, в настоящее время используется термин ”стрессовые метаболиты”. Таким образом, в литературе нет устоявшейся классификации растительных выделений, и все предложенные термины, по-видимому, могут использоваться на равных основаниях.

Выделительные системы рассматриваются на клеточном уровне в одиночных клетках и в специализированных многоклеточных структурах, как показано на схеме:

Глава 1. КЛЕТОЧНЫЕ АСПЕКТЫ ВЫДЕЛИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

РАСТЕНИЙ

1.1. ЗНАЧЕНИЕ СЕКРЕТОРНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ КЛЕТКИ

Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной, называемой тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем диффузии или активного механизма через плазмалемму или тонопласт. В первом случае секретируемое соединение попадает в свободное (лежащее вне объема, ограниченного плазмалеммой) пространство клетки, во втором – в вакуоль.

Таким образом, из сферы активного метаболизма выводятся вещества, которые могли бы нарушить клеточный гомеостаз. Внутриклеточная секреция - эволюционно обусловленный путь удаления избытка метаболитов. Она возникла, по-видимому, в связи с развитием наземного образа жизни, приведшего к появлению массивных форм растений, что ограничило способность клеток выделять продукты обмена в окружающую среду.

Появилась тенденция к сохранению побочных продуктов внутри самих клеток - в вакуолях или в свободном пространстве клетки [Schnepf, 1969].

Для понимания выделительной функции важно познакомиться с представлениями о природе секретов, их компартментации в клетке, механизмах выделения через мембраны, а также рассмотреть особенности секреторного процесса любой и специализированной секреторной клетки.

Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной, называемой тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем диффузии или активного механизма через плазмалемму или тонопласт. В первом случае секретируемое соединение попадает в свободное (лежащее вне объема, ограниченного плазмалеммой) пространство клетки, во втором – в вакуоль. Таким образом, из сферы активного метаболизма выводятся вещества, которые могли бы нарушить клеточный гомеостаз.

1.2. КОМПАРТМЕНТАЦИЯ ПРОДУКТОВ ОБМЕНА И МЕХАНИЗМЫ ИХ

СЕКРЕЦИИ.

Выделяемые в секреторном процессе вещества разнообразны по своей химической природе. Это - прежде всего продукты первичного обмена - углеводы, белки, гормоны, необходимые для роста и развития. Кроме того, в цитоплазме и органеллах синтезируются продукты вторичного обмена, которые, как полагают [Haslam, 1985], возникают в результате ресбалансированного роста, приводящего к появлению избыточного количества интермедиатов, на накопление которых организм отвечает превращением их до вторичных соединений.

1.2.1. Основные продукты секретов и их компартментация в клетке.

Вторичные метаболиты представлены в растениях огромный количеством индивидуальных соединений [Seigler, Price, 1976; Luckner, 1977;1990; Wink, 2010 a, b, Wink (Ed.) 2010], хотя они образуются на немногих путях обмена веществ (Рис. 1) и их биогенетическими предшественниками является небольшое число веществ - мевалонат, ацетил-КоА, коричная кислота и аминокислоты. Количество известных терпеноидов Рис. 1. Важнейшие классы вторичных метаболитов растений, их биогенетическое происхождение и приблизительное число известных химических структур. Адаптировано по [Hartmann, 1985].

–  –  –

Поскольку вторичные соединения - биологически активные вещества и могут вызвать повреждение наиболее важной части клетки - цитоплазмы, должны существовать механизмы, обезвреживающие их. В растениях имеются два основных пути защиты от химически реактивных веществ. Один из них - компартментация в физически разделенных специфических органеллах. Другой путь состоит в химической модификации до относительно безвредных соединений также не исключает изолирование (что образующихся модифицированных веществ в определенных компартментах клетки). В качестве примеров в табл.1 указаны места синтеза и компартментации вторичных метаболитов. Продуктами внутриклеточной секреции в большинстве случаев являются соединения, образованные в процессе фотосинтеза, и основное место их синтеза мембраны хлоропластов, хотя некоторые из вторичных метаболитов образуются и в других органеллах: эндоплазматическом ретикулюме, аппарате Гольджи и его везикулах, микросомах, лейкопластах. Основным компартментом растворимых в воде соединений является вакуоль, а для газообразных и липофильных экскретов такую же функцию выполняет свободное пространство клетки.

Прежде чем выделиться из цитоплазмы, секретируемые вещества преодолевают цитоплазматические мембраны - плазмалемму, если вещество выделяется в свободное пространство клетки, или тонопласт при транспорте в вакуоль. В белковых участках мембран имеются гидрофильные поры, в результате чего они проницаемы для воды и водорастворимых компонентов небольшого молекулярного веса, локализованных в цитоплазме. Сахара, аминокислоты, соли могут выделяться в соответствии с градиентом концентрации или электрохимического потенциала. Эти же вещества могут транспортироваться и против градиентов концентрации и потенциалов.

В этом случае события происходят при участии АТР, который приводит в действие разные механизмы:

ионные насосы, системы с участием переносчиков и процессы переноса неполярных соединений. Поскольку эти процессы требуют затраты энергии, они находятся в прямой зависимости от метаболизма. Однако чаще всего выделение осуществляется особой формой транспорта - экзоцитозом, который также относится к активным формам выделения [Thiel and Battey, 1998].

1.2.2. Экзоцитоз.

В растениях путем экзоцитоза выделяются частицы и макромолекулы, которым трудно преодолеть барьер, создаваемый плазмалеммой или тонопластом [Kurosami, 1961;

Васильев, 1977; Fahn,1979; Лютге, Хигинботам, 1984; Thiel and Battey, 1998; Battey et al., 1999]. К их числу относятся полисахариды, пектины, слизи, белки и другие соединения.

Эти высокополимерные вещества синтезируются или подвергаются сборке из соответствующих предшественников в аппарате Гольджи, который в растительных клетках состоит из отдельных диктиосом. Каждая диктиосома представляет собой стопку из 5-7 цистерн. От их краев отделяются секреторные пузырьки (Рис.2a). Движения пузырьков осуществляют сократительные системы клетки после получения соответствующего стимула В составе пузырьков те или иные соединения [Shropshire, 1979].

транспортируются к плазмалемме или тонопласту, где сливаются с мембранами, а секретируемые продукты попадают в свободное пространство или вакуоль. В обычных с гладкой поверхностью везикулах транспортируются крупные молекулы полимеров, Наряду с гладкими пузырьками на диктиосомах формируются пузырьки с шероховатой поверхностью, так называемые окаймленные пузырьки. Их распространение в растительных клетках, по-видимому, носит всеобщий характер [Coleman et а1., 1988]. В окаймленных пузырьках перемещаются в основном специфические крупные молекулы (лиганды), гормоны и медиаторы. От обычных везикул окаймленные пузырьки отличаются наличием чехла из фибриллярного белка клатрина (180000 дальтон), соединенного с меньшим по размеру полипептидом (~ 35000 дальтон). Полагают, что клатриновая оболочка способствует сохранению одетых везикул и их содержимого от лизиса. G-белки и Рис.2. Секреция в растительной клетке. А - электронно-микроскопическая фотография диктиосом клетки пыльцевой трубки табака Nicotiana tabacum x 55000 [Kristen et al. 1988]. Диктиосома состоит из пяти цистерн и образует большие секреторные везикулы, Б – Схема экзоцитоза секрета отдельного секреторного пузырька – проникновение через плазматическую мембрану.

ГТФ принимают участие в транспорте таких везикул [Pearse, Robinson, 1990; Burgoyne, 1992]. Есть специальные адапторы (элементы клатриновых оболочек и везикул, содержащие белки-адаптины), которые способствуют прикреплению клатрина к мембране [Robinson, 1992].

Проникновение через плазмалемму осуществляется с помощью регулируемого и нерегулируемого (стационарного или константного = constitutive) способов [Burgess and Kelly, 1987; De Camilli, 1993]. Стационарный экзоцитоз наблюдается, когда секреторные пузырьки, происходящие из аппарата Гольджи или эндосом, встраиваются в плазматическую мембрану (везикулы становятся частью плазмалеммы) и при этом выделяют наружу свое содержимое без первоначального стимула. Для регулируемого типа экзоцитоза характерно аккумулирование секреторных везикул под плазмалеммой и проникновение через мембрану только после стимула. Регулируемый экзоцитоз происходит под влиянием определенного стимула (повышение концентрации ионов кальция в клетке, ГТФ, АТФ, разнообразных белков) [Thiel and Battey, 1998]. Даже изменение концентрации СO2 в воздухе может регулировать экзоцитоз [Schwartz, AlСтационарный или конституционный экзоцитоз чаще используется Awqati, 1985].

клетками для белковой секреции или включения вновь синтезированных белков в плазмалемму [Chrispeels, 1991]. К этому же типу экзоцитоза относится и перемещение компонентов плазмалеммы как некоторые рецепторы) везикулярными (таких переносчиками от эндосом к клеточной поверхности. Регулируемый экзоцитоз более характерен для секреторных гранул, происходящих из аппарата Гольджи [Karimova et al., 1993; Thorin et al., 1995]. Возможно, что в механизме экзоцитоза на плазматической мембране принимают участие белки аннексины (кальций и фосфолипид-связывающие белки) и имеет место гликолипидное “заякоривание” белков [Cross, 1990; Creutz, 1992;

Clark, Roux, 1995].

На Рис.2Б приведена схема движения секреторного пузырька к плазматической мембране. Предполагается, что в движении секреторных везикул принимают участие АТФзависимые актомиозиноподобные белки, требующие Са2+ для своего сокращения и гидролиза АТФ [Pan et al., 2005]. Действительно ингибитор актиновых филаментов животных цитохалазин блокирует транспорт секреторных пузырьков в растениях [Steer, 1988]. Есть сведения [Kreis, 1990], что в транслокации элементов аппарата Гольджи и секреторных везикул принимают участие и микротрубочки. Определенную роль в транспорте секреторных везикул играют гуанозинтрифосфат (ГТФ) и ГТФ-связывающие белки, поскольку установлено, что движение этих везикул от аппарата Гольджи к другим органеллам в плазмалемме ингибируется негидролизуемыми аналогами ГТФ [Tooze et al., 1990]. Особенно важна роль кальция в секреции белков [ Li et al., 2008]. Например, показано [Steеr, 1988], что повышение концентрации Са2+ усиливает секрецию амилазы в алейроновых зернах клеток семян ячменя Hordeum spp. и пероксидазы суспензионной культурой клеток шпината Spinacia spp.

Секреция белков происходит с помощью секреторных везикул [Pan et al., 2005] и может происходить тремя путями [Akasawa, Hara-Nishimura, 1985]: 1. движение из клетки

– экстраклеточная секреция (например, амилазы из проростков риса Oryza и полифенолоксидазы из клеток клена Acer; 2. движение внутри клетки и (или) из клетки (например, секреция в вакуоль кислой фосфатазы или пероксидазы из клеток клена Acer):

3. внутриклеточное передвижение и запасание секрета в виде глобул белковых тел (например, в семядолях тыквы Cucurbita spp.). Во всех трех случаях синтезированные в грубом эндоплазматическом ретикулюме белки [Sugano,1991] попадают в аппарат Гольджи и затем в составе пузырьков транспортируются к плазмалемме или тонопласту. Там мембрана пузырьков сливается с плазмалеммой или тонопластом, а секретируемые белки поступают в свободное пространство клетки или в вакуоль. Иногда белок транспортируется непосредственно от места синтеза до плазматической мембраны, обходя аппарат Гольджи. Этот путь транспорта наблюдается у рыльца пестика Crocus и пищеварительных желез Dionea muscipula [Robins, Juniper, 1980]. При различных иммунных реакциях растения наблюдается также необычный путь (default pathway) секреции [Kwon et al., 2008].

Для изучения транспорта белков и секреции их в клетке используют специальные блокаторы, например брефельдин А (brefeldin A), который препятствует транспорту белков из эндоплазматической сети в аппарат Гольджи и обратному трафику белка из аппарата Гольджи в эндоплазматический ретикулум [Satiat-Jeunemaitre et al., 1996;

Nebenfuhr et al., 2002]. При этом белки накапливаются внутри эндоплазматическиого ретикулума. Полагают, что мишенью действия брефельдина А является участок ГТФобмена (содержащий ГТФ-азу), который включен в транспорт везикул с белком к наружной мембране.

Другой путь исследования клеточных механизмов секреции – использование маркерных белков из медуз, встраиваемых генетически и флуоресцирующих зеленым или желтым светом при возбуждении ультрафиолетовой радиацией в области 360-380 нм [Eckardt, 2000; Hanton, Brandizzi, 2006.; cм. также ссылки в монографии Roshchina, 2008].

Кроме того, используют специальные флуоресцентные красители и метки, например на белки или липиды [Battey et al., 1999]. Автофлуоресценция и окраска антоцианов также предлагаются в качестве естественных маркеров изучения транспорта веществ в клетке и из нее [Gomez et al., 2011].

1.2.3. Внешняя и внутренняя секреция Различают внешнюю (экстраклеточную) и внутреннюю секрецию. Внутренняя секреция осуществляется в свободное пространство клетки (пространство между плазмалеммой и клеточной оболочкой) или в вакуоль (через тонопласт).

При экстраклеточной секреции в зависимости от специализации возможны три вида секреции: мерокриновая, апокриновая и голокриновая [Esau, 1965; Эсау, 1969;

Эзау, 1980; Romberger et al., 1993; Evert and Esau, 2006] как показано на схеме:

В процессе мерокриновой секреции секретируемое вещество выделяется из клеток, которые остаются живыми. Этот тип секреции включает в себя две разновидности – экриновую и гранулокриновую. При экриновой секреции выделяющееся вещество состоит из мелких молекул, способных проникать через мембраны (как описано выше, путем пассивного или активного транспорта). Гранулокриновая секреция имеет место, если вещество не растворимо в воде или вообще трудно проникает через мембрану. В этом случае секреция осуществляется путем экзоцитоза [Creutz, 1992]. Фан [Fahn, 1989] описывает тип мерокриновой секреции и при выделении запасных или ненужных клетке веществ в вакуоль.

Апокриновая (греч. apokrino отделять) секреция происходит с повреждением клетки.

Выделение наружу выработанного секрета сопровождается выбросом части цитоплазмы, но отделяется только безъядерная часть клетки. Примером такой секреции является отрыв головок у солевых волосков некоторых галофитов. Остается неясным, происходит ли при таком типе секреции регенерация клетки или клетка отмирает.

При голокриновой секреции (греч. holos весь + krino отделять) клетка полностью деградирует. В этом случае отмечается полный выброс содержимого клетки вместе с выработанным секреторным продуктом в окружающую среду. Этот тип выделения наблюдается при секреции слизи клетками корневого чехлика. В качестве другого примера голокринной секреции могут служить многие лизигенные секреторные ходы и протоки, куда после лизиса клеточной стенки выделяются секреты из разрушенных клеток внутри тканей Ambrosia trifida [Lersten and Curtis, 1988].

Далее будут рассмотрены секреция любых клеток в свободное пространство клетки и в вакуоль, секреция специализированных клеток – идиобластов в тканях и одиночных растительных микроспор.

1.3. СЕКРЕЦИЯ В СВОБОДНОЕ ПРОСТРАНСТВО КЛЕТКИ

Свободным пространством клетки обычно считают часть клетки вне объема, ограниченного плазмалеммой [Курсанов, 1976]. Однако оболочка и плазмалемма являются единым комплексом и с трудом отделяются друг от друга [Саляев, 1985]., Поэтому выведение веществ через плазмалемму есть по сути дела секреция в свободное пространство - между клеточной стенкой и плазмалеммой. Некоторое расстояние между клеточной стенкой и плазмалеммой пространство) реально (периплазматическое появляется только в результате секреторной деятельности клетки, когда за плазмалемму изливается содержимое пузырьков Гольджи, и в этих случаях действительно плазмалемму от оболочки отделяет иногда значительное пространство, занятое секретом [Саляев,1985].

Секреция в свободное пространство является первый этапом выведения секрета из любой клетки. Этот процесс особенно заметен у специализированных секреторных клеток.

Выделение секрета связано и с образованием оболочки, что наглядно демонстрируется в процессе деления меристематических клеток. Основными компонентами клеточной оболочки являются аморфный матрикс с высоким содержанием воды и опорная - фибриллярняя система, состоящая из целлюлозы. Элементы матрикса гемицеллюлозы (главным образом уреиды) и пектиновые вещества - синтезируются аппаратом Гольджи, а затем выделяются через плазмалемму путём экзоцнтоза [FreyWyssling 1973; Фрей-Висслинг, 1976; Lttge and Higinbotham, 1979; Лютге, Хигинботам, 1984]. Опорная фибриллярная система состоит из целлюлозы (-1,4-полиглюкозана), галактана (-1,3-полиглюкозан), которые синтезируются снаружи от плазмалеммы в образовавшемся матриксе оболочки. Синтез этих элементов осуществляется комплексом ферментов, локализованных в плазмалемме [Фрей-Висслинг, 1976].

Показано [Griffing et al., 1986], что полисахариды синтезируются при помощи двух основных ферментов - глюкансинтазы 1 (КФ 24.1.12) и глюкансинтазы 2. (КФ 24.1.34) Оба фермента найдены в одетых мембранами пузырьках. Первый из ферментов исходно локализован в аппарате Гольджи, а второй - в протоплазматической мембране и митохондриях. Предполагается, что мембранные пузыри отделяются от цистерн аппарата Гольджи и, захватив фермент, доставляют его к клеточной стенке, где он принимает участие в синтезе -1-4-связанного глюкана.

Многие ферменты, синтезированные в цитоплазме, могут выделяться в свободное пространство клетки, преодолевая мембранный барьер. В клеточной стенке локализован ряд ферментов, с действием которых связаны процессы лигнификации, дифференциации и растяжения клеточных стенок. В ней обнаружены целлюлазы, -1,3-глюканаза, целлобиаза и ряд других гидролаз, малатдегидрогеназа, кислые изоформы пероксидазы и другие ферменты. Таким образом, клеточная стенка может рассматриваться как “депо ферментов” [Саляев, 1985, Schlo еt а1., 1987}.

К числу продуктов, выделяемых через плазмалемму, относятся продукты распада, например аммиак и углеводороды: этан, этилен, пропан, которые являются продуктами перекисного окисления мембран хлоропластов [Bchler-Kohler et а1., 1982]. Вообще большинство летучих веществ выделяется через плазмалемму в свободное пространство клетки. Примером секреции специализированными клетками в свободное пространство может служить процесс выделения монотерпенов. Синтез этих веществ осуществляется в больших лейкопластах амебоидной структуры, которые имеют только несколько внутренних мембран и их строма лишена рибосом [Вегпагd-Dagan еt аl., 1982]. Вокруг лейкопластов имеется обертка из эндоплазматического ретикулума, связанная с мембранами лейкопластов, что позволяет терпеноидам переходить из мест их синтеза – пластидной наружной оболочки - к месту их аккумуляции - свободному пространству клетки. Подробнее о синтезе и секреции терпеноидов (см. раздел 3.6).

Фенолы также секретируются в свободное пространство клетки. Так у брюквы Brassica napus фенольные соединения появляются на ранней стадии эмбриогенеза (через 36 часов после прорастания) или в цитоплазме (в малых вакуолях) или к наружи от плазмалеммы В последнем случае секреторные фенольные соединения являются барьером, препятствующим инфекции [Zobel, 1989].

1.4. СЕКРЕЦИЯ В ВАКУОЛЬ В полностью развитых растительных клетках имеется крупная центральная вакуоль, которая может занимать до 90% объема зрелой клетки [Нобел, 1973]. Вакуоль является местом накопления водорастворимых соединений, которые попадают в нее из цитоплазмы.

Мембрана дает избирательной проницаемостью, и в вакуоли концентрируются вещества только определенного типа.

С физиологической точки зрения вещества, заполняющие вакуоль, принадлежат к двум разным категориям. С одной стороны - это вещества, ценные для растения, - сахара, аминокислоты, органические кислоты и др., которые сохраняются и могут вновь включаться в процесс обмена веществ. В вакуоли содержится около 100 различных видов белков. Среди них много гидролаз: кислая протеиназа, кислая фосфатаза, маннозидаза, галактозидаза [Кеnуоn, В1аск, 1986]. Оксидоредуктазы представлены основными изоформами пероксидаз [Schlo еt аl., 1987]. Как все белки, ферменты синтезируются в цитоплазме на рибосомах и затем транспортируются через тонопласт в вакуоль.

С другой стороны, в вакуолярном соке содержатся и вторичные продукты обмена флавононды, алкалоиды и др., накопление которых обусловлено ограниченной способностью клетки выделять их наружу. Таким образом, центральная вакуоль клетки является своеобразной секреторной системой, в которую выводятся из сферы активных превращений вещества различной химической природы. Состав веществ, секретируемых цитоплазмой в вакуоль, сильно изменяется в зависимости от видовых особенностей растений, фазы развития и местонахождения клеток (корень, лист и другие органы).

Вакуоль выполняет ряд функций (осморегуляция, поддержание тургора, запасание ассимилятов и секреция). Секреторная функция становится преобладающей в зрелой клетке, когда в вакуоли накапливаются нереализованные продукты обмена [Мatilе, 1987].

Суммарная концентрация веществ, как и отдельных соединений, клеточном соке выше, чем в цитоплазме, и движение молекул, как правило, направлено против градиента концентрации. Транспорт секретируемых веществ через тонопласт осуществляется с помощью активных механизмов - экзоцитоза и пиноцитоза [Fineran, 1971], однако в отдельных случаях допускается возможность пассивного процесса [Бузук, Ловкова, 1986].

Механизм транспорта вторичных веществ через тонопласт изучен довольно слабо, за исключением фенолов и алкалоидов.

Фенольные соединения, по-видимому, могут синтезироваться и в вакуоли и в хлоропластах, В вакуоли обнаружены халконсинтаза, халконизомераза, флавоноид гликозид трансфераза, а в хлоропластах.- фенилаланинаммоний-лиаза, цинномат 2гидроксилаза и гидроксилциннамил~ КоА: хиннат гидроксициннамил трансфераза и халконсинтаза [Hrazdina, Wagner, 1985].

В поcледние годы исследования хлоропластов и вакуолей как мест синтеза и аккумуляции фенолов получили дальнейшее развитие. На культуре ткани чайного растения показано, что при непрерывном освещении в каллюсной ткани возникали хлоропласты, формирование которых сопровождалось значительным увеличением суммы растворимых фенольных соединений и появлением в их составе, помимо катехинов и проантоцианидинов, флавонов. Последние были представлены двумя агликонами (кемпферолом и кверцетином) и пятью их гликозидами. На изолированных хлоропластах тополя Populus nigra показано, что флавоноиды накапливаются в тилакоидных и протоплазматической мембранах хлоропластов [Charriere-Ladreix, 1977].

Накопление их в вакуоли - это уже вторичное явление, возникающее как результат транспорта этих веществ из хлоропластов. В переносе фенолов в вакуоль, вероятно, участвует и эндоплазматический ретикулюм, внутри которого могут передвигаться фенольные соединения [Charriere-Ladreix, 1977]. Проникновение в вакуоль через тонопласт в этом случае происходит в везикулах по типу экзоцитоза. Возможно, что движение веществ через вакуолярную мембрану может идти и по типу пиноцитоза. Наличие такого поглощения у центральных вакуолей паренхимных клеток было показано Файнерэном [Fineran, 1971]. Согласно предложенной им схеме, частица или молекула адсорбируется на тонопласте, что индуцирует образование в мембране впячивания, в результате которого образуется пузырек, попадающий в вакуоль. После исчезновения мембраны пузырька вещество оказывается в клеточном соке.

Как показывают исследования [Charriere-Ladreix, 1977], отток фенольных соединений из хлоропластов идет в виде агликонов. При попадании в вакуоль происходит их гликозидирование за счет присоединения сахарного остатка, с помощью которого ослабляется токсичность фенольных соединений. Кроме того, переход агликона в гликозид повышает растворимость фенольных соединений в воде и одновременно снижает их растворимость в липидах биомембран, затрудняя обратный выход фенольных соединений из вакуоли через тонопласт.

Кроме фенолов, в пластидах (хлоропластах и лейкопластах) синтезируются алкалоиды, терпены, некоторые углеводороды, многие из которых также могут накапливаться в вакуоли. Накоплению алкалоидов в вакуолях посвящен ряд специальных работ [Мntz, 1984; Deus-Neumann, Zenk, 1984; 1986; Бузук, Ловкова, 1986]. Синтез алкалоидов происходит в цитоплазме [Deus-Neumann, Zenk, 1984], а в особых случаях в пластидах или отдельных везикулах [Wink, 1985; Hartmann, 1985]. Первоначально представления о накоплении алкалоидов в вакуолях основывалось на том факте, что вакуолярный сок имеет кислую реакцию. Согласно этой модели, алкалоиды могут свободно проникать через тонопласт путем диффузии в липофильных слоях. В кислой среде вакуоли алкалоиды протонируются и, следовательно, ловятся как катионы, для которых тонопласт слабо проницаем или вовсе непроницаем [Маtilе,1984]. Кроме того, в иммобилизации алкалоидов могут принимать участие фенольные и другие компоненты клеточного сока, которые образуют с алкалоидами сложные комплексы. Этот механизм, названный механизмом ионной ловушки, подтверждается классическимя наблюдениями с нейтральным красным красителем, механизм поглощения которого, как полагают, аналогичен поглощению алкалоидов [Маtilе, 1984].

Возможноcть попадания алкалоидов в вакуоль через тонопласт путем простой диффузии была подтверждена [Hauser,Wink, 1990] на вакуолях, выделенных из латекса.

Поглощение алкалоидов (9,10-дигидроэргокриптин, винбластин, стрихнин, никотин, колхицин, люпанин и 13-гидроксилюпанин) соответствовало кинетике простой диффузии.

Накопление алкалоидов происходило против градиента концентрации, но АТФ не влияла на поглощение алкалоидов Авторы полагают, что алкалоиды улавливаются посредством хелидоновой кислоты, которая образует комплексы с алкалоидами и предотвращает, таким образом, их диффузию из везикул. Попутно отметим, что концентрация хелидоновой кислоты намного выше в вакуолях (661 мМ), чем в латексе (58 мМ). Таким образом, подтверждается возможность накопления алкалоидов в вакуолях с помощью пассивного механизма.

Сомнения в широком распространении этого явления возникли после опытов с изолированными из культуры тканей вакуолями [Deus-Neumann, Zenk, 198б]. Оказалось, что выделенные вакуоли накапливает только те алкалоиды, которые специфичны для данного растения. Вакуоли, полученные из растений, не синтезирующих данные алкалоиды, были неспособны их накапливать. В этом отношении показательны опыты [Mende, Wink, 1987], в которых изучалось поглощение алкалоидов люпинина (1оксиметилхинолизидин) и атропина протопластами и изолированными вакуолями из клеток культуры тканей люпина Lupinus polyphyllus, шпината Spinacia oleracea, подмаренника Gallium, белладонны Аtrора belladonna.

Люпинин поглощался только вакуолями люпина, а атропин - только аналогичными органеллами белладонны. Вакуоли же других исследованных растений не поглощали ни люпинин, ни атропин. На основе этих данных возникли представления о существовании в тонопласте высокоспецифических для данного вида растения переносчиков алкалоидов, которые функционируют за счет энергии метаболизма.

Имеются сведения [Matern,1987] в пользу того, что для транспорта вторичных метаболитов в вакуоль и фиксирования их там большое значение имеют стеричеокие параметры молекулы. Бузук Г.Н. и Ловкова М.Я. [1986] использовали в опытах алкалоиды различной структуры и показали, что скорость их проникновения в вакуоль значительно отличается и связана с их стериоизомерией. Преимущество стереоизомерной модели в том, что она объясняет проникновение в вакуоль как основных, так и кислых и нейтральных веществ, а также их избирательное накопление. Доказательством справедливости такой модели могло бы быть выделение из тонопласта конформационно и конфигурационноспецифических переносчиков.

C помощью специфических блокаторов показано, что транспорт алкалоидов через тонопласт осуществляется не только с помощью пассивного, но и активного механизмов [Бузук, Ловкова, 1986]. При добавлении Mg+2 и АТФ транспорт алкалоидов через тонопласт изолированных вакуолей активировался почти в 30 раз, но он блокировался ингибитором Н+-АТФазы ДКЦД (дициклогексил-карбодиимидом) [Mende, Wink, 1987].

Скорость поглощения алкалоидов вакуолями довольно высока и составляет 0,03 мг алкалоида на I мг вакуолярного белка [Deus-Neumann, Zenk, 1986], что может быть обусловлено как активным, так и пассивным механизмом их транспорта через тонопласт.

Среди секретируемых алкалоидов встречаются физиологически активные, а порой и просто токсические вещества. Остается неясным, почему клетки или органеллы устойчивы к их присутствию. Полагают [Roos, Luckner, 1986], что в этом явлении существенная роль принадлежит асимметрической архитектуре мембран, благодаря которой наружная и внутренняя стороны не одинаково чувствительны к специфическим продуктам обмена. Это было продемонстрировано в опытах с вакуолями латекса чистотела Chelidonium, в которых наблюдали связывание изохинолиновых алкалоидов - сангвинарина и хелеритрина. Оба соединения вызывали лизис изолированных вакуолей, если добавленное их количество превышало аккумулирующую способность этих органелл. Вакуолярная мембрана была более устойчивой, если алкалоиды накапливались только в вакуоли, но повреждалась, если те же вещества аккумулировались снаружи от нее. Проникновение через тонопласт других соединений вторичного обмена изучено плохо.

Для суждения о физиологической роли накапливаемых в вакуоли вторичныых соединений существенно, что они накапливаются нерегулярно и только в определенных видах растений, и они могут выделяться из клеток только после их разрушения. Имеет также место и агрегация секреторных везикул [Blackbourn and Battey, 1993].

Хотя большинство вторичных продуктов запасается в нецитоплазматических компартментах живых-клеток, липофильные вещества могут образовывать капли липидов внутри цитоплазмы. В них могут аккумулироваться каротиноиды, смолы и эфирные масла.

В таких каплях могут быть растворены и другие липофильные вещества, например алкалоиды [Roos, Luckner, 1986]. Подобные капли часто есть и в вакуолях.

1.5. ИДИОБЛАСТЫ Секреторная функция свойственна, как уже указывалось, любой растительной клетке.

Однако в растениях имеются и специализированные клетки (идиобласты), в которых секреторная функция становится основной. Клеточные стенки идиобластов, часто лигнифицируются, и такие клетки напоминают склереиды. Идиобласты рассеяны среди других тканей вегетативных и репродуктивных органов растения и могут значительно отличаться по форме, структуре или содержимому от остальных клеток той же самой ткани [Foster, 1956; Эсау, 1969]. В специализированных секреторных клетках накапливаются минеральные соли, эфирные масла, смолы, таннины и другие соединения. По внешнему виду и расположению в тканях идиобласты могут быть пигментированными (содержат фенолы или алкалоиды), склереидными (тонкостенные клетки неправильной формы среди каменных клеток плодов груши Pyrus spp, например), кристалл-содержащими (в стрекательных волосках крапивы Urtica dioica или среди клеток родов Philodendron и Идиобласты можно условно разделить и по Dieffenbachia) [Witztum, 1974.].

преобладающему содержанию в них минеральных солей (в основном, соли кальция и кремния, хотя одновременно отмечено присутствие и других веществ, как будет описано далее) или преимущественно органических соединений.

Кристаллические идиобласты. Отложения минеральных солей состоят главным образом из оксалата кальция, карбоната калия и окислов кремния. Наиболее распространены отложения оксалата кальция, который встречается в растениях из многих семейств, и круг растений, в которых такие кристаллы обнаружены, все расширяется [Franceschi and Horner, 1980; Krisai and Mrazek, 1986; Franceschi and Nakata, 2005]. Характерные кальцийсодержащие идиобласты часто встречаются в листьях Citrus sinensis [Scott et al., 1948;

Storey and. Leigh 2004], Amorphophallus (Агасеае)[ Prychid et al., 2008], Agave атeriсапа [Espelie et al., 1982], Beta vulgaris var. cicla [Simpson et al., 2009], Dieffenbachia seguine (Araceae)[ Cote, 2009], в черешках Colocasia esculenta [Masanobu et al. 2003], Impatiens scabrida и I. balfourii [Elias and Gelband, 1977].

Кристаллы кальция могут быть одиночными (ромбоэдры или октаэдры) или иметь сложную структуру, образуя сростки (друзы - звездчатые образования, сфериты, рафиты и др.). В ряде случаев включения оксалата кальция могут быть в форме мелких пирамидальных кристаллов “кристаллического песка” [Соdy et аl., 1985]. Форма кристаллов, но мнению ряда исследователей [Соdy et аl., 1985], отражает свойства среды, в которой растет кристалл, т.е. клеточной вакуоли, поэтому кристаллы являются индикаторами внутриклеточных микроусловий. Полагают также, что форма кристалла является таксономическим признаком [Эсау, 1969].

Клетки, накапливающие оксалат кальция, уже на ранних этапах своего развития отличаются по ультраструктуре от смежных паренхимных клеток богатством цитоплазмы и высоким содержанием клеточных органелл. Кристаллы образуются в особых, окруженных мембраной камерах, которые находятся в вакуолях [Schtz et al., 1970 a,b].

Транспорт оксалата через тонопласт и мембрану камеры осуществляется, по-видимому, с помощью пузырьков, происходящих из элементов эдоплазматического ретикулюма и диктиосом. Экспериментально это было показано для ослинника Oenothera. Возможен и активный транспорт ионов Са2+ при участии ионных насосов, локализованных в мембранах [Васильев, 1977]. После завершения формирования кристаллов вокруг кристаллоносной вакуоли откладывается полисахаридная оболочка, которая может лигнифицироваться или суберинезироваться, причем эта оболочка связывается со стенкой клетки короткой ножкой.

При суберинизации идиобласт отмирает и представляет собой уже мертвую структуру. В остальных случаях протопласт остается живым, хотя количество цитоплазмы и органелл резко сокращается. Предполагается, что в фотосинтезирующих организмах для синтеза оксалата кальция используется гликолиевая кислота, которая образуется в процессе фотосинтеза [Frank, Jensen, 1970; Frank, 1972].

У разных растений кристаллы оксалата кальция могут различаться по локализации и времени образования. Например, у фасоли Phaseolus vulgaris кальций откладывается в адаксиальной части обкладки сосудистых пучков, а у канавалии мечевидной Canavalia ensiformis - в эпидермисе [Zindler-Frank et al., 1988]. Кристаллоносные клетки у фасоли морфологически не отличаются от других клеток обкладки, а у канавалии представлены высоко-специализированными идиобластами.

Скорость отложений оксалата кальция зависит от вида и фазы развития растения, как показано [Sanchez-Alonso, Lachica,1988] в экспериментах с листьями сливы иволистной Prunus salicina L. и черешни P. avium L. При развитии листа (например, Gleditsia triacanthos) кристаллoносные идиобласты появляются сначала вблизи жилки - начала транспортной системы растения, а затем, по мере взросления листа кристаллы оксалата кальция накапливаются и в других тканях растения [Borchert, 1984]. Общее количество оксалата кальция (в мг на I г сухой массы) составляет в листьях Telfaira hooker (сем.

Cucurbitaceae) в пластинке – 19,2 ; черешке - 18,8, стебле и усиках - 7,0-7,4 [Okoli, McEuen, 1986].

С использованием меченых С14- предшественников щавелевой кислоты в клетках листа ряски малой Lemna minor показано участие гликолата и глиоксалата в метаболизме оксалата кальция и формировании его кристаллов [Franceaschi, 1987]. Кристаллы оксалата кальция образуются всего за I час экспозиции и только в очень молодых тканях с еще низкой фотохимической активностью. Метаболическим предшественником оксалата является L-аскорбиновая кислота, поскольку L-аскорбат и оксалат синтезируются внутри кристаллов изолированных развивающихся идиобластов клетки (Kostman et al., 2001).

Установлен примерный путь биосинтеза оксалата: D-манноза - L-галактоза аскорбиновая кислота- щавелевая кислота (оксалат). Оксалат происходит из 1 и 2 углеродов аскорбата и синтезируется непосредственно в идиобластах.

Образование оксалата кальция как стабильной, нетоксичной, недиффундирующей формы хранения рассматривается как приспособительный механизм для поддержания низкого уровня кальция в цитоплазме [Franceaschi, 1987]. Присутствие кристаллов оксалата можно также рассматривать как защитное приспособление от поедания травоядными животными [Witztum, 1974].

Состав изолированных идиобластов с кристаллами оксалата кальция из листьев агавы Agave americana изучен Эспелье с сотрудниками [Espelie et al. 1982]. В этих кристаллах были найдены -гидрокси кислоты (32%) и дикарбоновые кислоты (35%), а также C18:1 дикарбоновые кислоты с доминантным мономером (25%). При окислении нитробензолом в идиобластах обнаружили сиреневый альдегид и ванилин в отношении 0.46:1.

Присутствовали также воска с содержанием свободных жирных кислот до 34%. Клеточные стенки идиобластов были опробковевшими.

Роль кристаллов оксалата кальция в идиобластах полностью не выяснена, но полагают [Cote, 2009], что они участвуют в механическом поддержании структур растений, балансе у них минеральных веществ, депонировании отходовклеток и защите от поедания хищниками. Например, у растения Dieffenbachia seguine (Araceae) кристаллы кальция оксалата в виде рафидов, друз и призм найдены во всех органах, кроме плодов. Причем очень характерными образованиями являются идиобласты бифорины (biforines), клетки, способные образовывать рафиды во всех органах, особенно часто в листьях, покрывале соцветия и пыльниках. Различные органы содержат разные формы идиобластов с кристаллами, которые обычно локализуются среди пыльцевых зерен или под жилками листьев, а также в участках разветвления корней. Гидролитическая активность ферментов характерна для зон проводящих пучков, где находятся скопления везикул-кристаллов оксалата кальция (Семенова, Романова, 2011).

Наиболее известными образованиями карбоната кальция являются цистолиты, которые представляют собой выросты клеточной оболочки, пропитанные этим веществом [Taylor et al., 1993]. Цистолиты или каменные клетки, содержащие цистолиты, обычно образуются базальными или эпидермальными клетками (как у Ficus) или волосками эпидермального происхождения (как у Humulus или Cannabis]. Кальцинированные тела высших растений более детально исследованы в листьях растений семейств Moraceae, Urticaceae, Cucurbitaceae с использованием метода рентгеновской микрорадиографии [Okazaki et al.,1986]. Цистолиты являются обычными на листьях и стеблях крапивы.

Содержание СаСО3, рассчитанное по объему и числу цистолитов составлет 0,4 мг/см2. В форме цистолитоподобных структур карбонат кальция накапливается в клетках, расположенных в основании микроволосков (рис.3) и как инкрустация внутри средней жилки зрелых листьев [Okoli, McEuen, 1986].

Рис.3. Цистолитоподобные структуры в волосках и эпидермальных клетках Telfairia occidentalis (Cucurbitaceae) [Okoli, McEuen, 1986]. А – вид с поверхности, б- вид сбоку.

Онтогенез литоцитов хорошо описан у Ficus elastica [Buvat, 1989]. Так на Рис. 4.

молодая эпидермальная клетка – будущий литоцит – отличается утолщением клеточной стенки, которая растет внутрь клетки, образуя нсжку. Ножка окружена цитоплазмой, которая формирует ее. После образования ножки, цитоплазма начинает выделять пектоциллюлезные компоненты к ее концу, обращенному внутрь цитоплазмы. На эту пектоцеллюлазную основу затем откладывается кальций или кремний. Часто образуется аморфный карбонат кальция с включением кремния. Имеются сведения, что в образовании цистолитов и литоцитов определенную роль играют микротрубочки. Об этом свидетельствуют опыты, в которых разрушение микротрубочек у Pilea cadierei ингибитором микротрубочек колхицином приводит к порокам в образовании цистолитов[Galatis et al., 1989]. Да и само образование литоцита резко деформируется после обработки колхицином.

Окись кремния откладывается в оболочке и полости клеток. При выращивании растений Phalaris canariensis на питательном раствор, содержащем 50 мг/л SiO2, отложения кремния накапливались в эпидермисе и внешнем кортикальном слое клеток корня, в эпидермисе стебля и в волосках шипов листовой пластинки [Hodson, 1986].

Обнаружены отличия идиобластов, содержащих кремний в эпидермисе нижней цветковой чешуи у Сз-растений (Avena, Triticum и др.) и С4-растений (Sorghum и др.). У растений С4видов идиобластов было больше, чем у Сз-видов, и они отличались по форме клеток. Сзвиды имели кремний-cодержащие клетки округлой, эллиптической и серповидной Рис. 4. Цистолиты листьев растений рода Ficus. А. Литоцит с цистолитом верхнего эпидермиса листа Ficus elastica. Рисунок Hiltz, 1951, фрагмент из книги [Buvat, 1989].

1 – цистолит, 2 – ножка, 3 – большая вакуоль, 4 – цитоплазматические тяжи, 5 – цитоплазма. Б. Сканирующая электронная микроскопия цистолита изолированного из листа Ficus retusa. Адаптировано из [Taylor et al., 1993].

формы, С4-виды гантелевидной или крестообразной

- [Takeoka et al., 1979].

Физиологический смысл этого явления непонятен. Своеобразным типом кремнийсодержащих клеток являются так называемые парные клетки у злаков. Они представляют собой две смежные клетки, одна из которых имеет опробковевшую оболочку, а другая окремневшую. Клетка, содержащая в оболочке кремний, рано отмирает, и полость ее заполняется кремнием. Напротив, клетка, стенки которой подвергаются опробковению, богата цитоплазмой и имеет сильно развитый трубчатый агранулярный эндоплазматический ретикулюм, что является характерной чертой активно секретирующих клеток. Полагают [Мирославов, 1974], что SiO2, накапливается в секреторной клетке, которая затем с помощью активного механизма выделяет кремний в соседнюю клетку.

Экологическое значение этого процесса состоит, вероятно, в защите от поедания травоядными животными.

Идиобласты, заполненные органическими соединениями. Идиобласты могут быть заполнены разнообразными органическими веществами. Такие клетки включают слизи или масла, обогащены фенолами (таннинами, антоцианами, флавоноидами), алкалоидами, белками, терпеноидами и др.

Обычными типами секреторных клеток являются идиобласты, накапливающие производные фенолов (танинами, антоцианами, флавоноидами). Слизью, содержащей фенолы, заполнены идиобласты листьев Aloe [Beil and Rauwald, 1993] и идиобласты проростков Raphanus sativus [Nozzolillo and Ishikure, 1988]. Таннины (дубильные вещества) представляют сложные смеси эфиров глюкозы и дигалловой кислоты и заполняют таннинсодержащие клетки, например, в моторных органах Mimosa pudica [Buvat, 1989]. Таннины прежде всего появляются в маленьких вакуолях, как это показано для Oenothera [Wiermann,1981]. Затем вакуоли увеличиваются и заполняют всю клетку. В синтезе таннинов могут принимать участие эндоплазматический ретикулюм, тельца Гольджи и пластиды [Wiermann,1981]. Это подтверждено опытами [Zobel, 1986], в которых изучалось распределение фенольных веществ в апексах боковых побегов Sambucus racemosa.

Предшественники фенольных веществ были найдены снаружи от эндоплазматической сети, а часть ферментов синтеза фенолов располагалась на мембранах этих органелл [Zobel, 1986]. Антоцианы, соединения флавоноидной природы, также найдены в слизевых идиобластах проростков редиса Raphanus sativus [Nozzolillo and Ishikura, 1988]. Они могут у этого объекта концентрироваться в вакуоли в виде сферических тел [Yasuda and Shinoda, 1985]. В идиобластах присутствуют и другие фенольные пигменты. Так бесцветные флаваны в рассеянных в листьях идиобластах у Spirodela oligorhiza и Wolffia punctata (Lemnaceae) под влиянием ультрафиолетового света превращаются в красно-бурые пигменты, так называемые флобафено-подобные (phlobaphene-like) cоединения [Witztum, 1974].

В масляных идиобластах обычно присутствуют различные терпены в смеси c другими соединениями, чаще всего с углеводородами, спиртами, кетонами и комплексом веществ в виде смол. (Иногда такие клетки существуют рядом со слизевыми секреторными структурами [Baas and Gregory, 1985]). Особенно широко распространены идиобласты, содержащие эфирные масла.

Они найдены у представителей более чем 20 семейств:

Magnoliaceae, Annonaceee, Canellaceae, Hernandiaceae, Illinaceae, Lauraceae, Myristicaceae, Piperaceae, Araceae, Aristolochiaceae, Saururaceae, Labiatae, Onagraceae, Rutaceae, Simaroubaceae, Valerinaceae и др. [West, 1969]. Масляные идиобласты встречаются в верхушках стебля и листьях Annona muricata [Bakker and Gerittsen, 1990] и листьях Croton tiglium и С.glandulosus [Муравьева, Гаммерман,1974], причем у последних видов масла включают алкалоиды. Масляные идиобласты отличаются от несекретирующих клеток крупным ядром, сильно развитым агранулярным эндоплвзматичеоким ретикулюмом, который, как полагают [Васильев, 1977; Денисова, 1989], принимает участие в биосинтезе терпенов. В терпеноидных клетках много митохондрий, снабжающих энергией процессы синтеза и выделения секрета в вакуоль. Для таких клеток также характерно развитие пластидного аппарата, состоящего из многочисленных лейкопластов [Васильев, 1977]. В специализированных секреторных клетках терпеноиды сначала накапливаются в протоплазме в небольшом количестве, а затем поступают в вакуоль. Клеточные стенки идиобластов рано опробковевают и содержащейся в клетке секрет изолируется целлюлозной или субериновой оболочкой от соседних клеток. В зрелых органах большинства растений идиобласты уже лишены живого содержимого, а целлюлезная оболочка, пропитанная суберином, продолжается в виде выроста внутрь секреторной клетки и образует ножку, за которую содержащая масло вакуоль (масляный сак) прикреплена к оболочке [Postek, Tucker, 1985]. Иногда у масляных клеток (например, Magnolia grandiflora) такой ножки нет, субериновый слой развивается позже и продолжается внутрь масляной клетки [Postek, Tucker, 1985]. У многих растений масляные идиобласты хорошо изучены. К таким видам относится копытень европейский Asarum europaeum (семейство Aristolochiaceae), у которого вместилища эфирного масла крупной изодиаметрической формы располагаются среди паренхимной ткани. Капля эфирного масла находится в них в тонкослойном мешочке, связанным с ножкой стерженьком, пропитанным кутином. Количество масляных клеток в эпидермисе составляет на I мм2 в лепестках в среднем 97, листовой пластинке 19, черешках и корневищ 44 [Суслова, Шарыгина, 1968]. По данным этих же авторов наибольшее количество эфирного масла продуцируют корневища и корни копытня Аsarum, достигая 2,13- 3,69 % от абсолютно сухой массы. В листовых пластинках этого растения накапливается всего 0,1 % от абсолютно сухой массы. По данным Озаровски [Ozarowski, 1956] эфирное масло копытня, кроме терпеноидов, содержит азарон 30-50 %, азариловый альдегид 3-3 %, метилэвгенол 15-20 %, смолы 10-12 %, диазарон, сесквитерпеновый спирт, - пинен в общем до 1-2 % абсолютно сухой массы. В модельных опытах in vitro накопление масла у подсолнечника Helianthus регулируется микросомами [Stobart et al., 1986]. Кроме летучих терпенов, у представителей семейства Verbenaceae, таких как Lantana camara, в идиобластах листьев идентифицированы нелетучие соединения терпеноидной природы, которые накапливаются в онтогенезе этих секреторных клеток [Moura et al., 2005]. Секреторные клетки такого типа происходят из основных меристематических клеток, которые дифференцируются в идиобласты на стадии листьев третьего яруса, но начинают активно секретировать на стадии листьев четвертого яруса. Следует отметить, что в латексе растений рода Euphorbia отмечен синтез тритерпенов [Groeneveld et al., 1987].

Для некоторых групп растений характерно накопление в идиобластах алкалоидов.

Например, у Ruta graveolens в корнях и суспензионной культуре обнаружены однотипные идиобласты, содержащие акридоновые алкалоиды [Eilert et al., 1986]. Отличительной чертой этих идиобластов является наличие в центре клетки скопления мелких вакуолей, которые имеют характерную для акридоновых алкалоидов оранжевую флюоресценцию при возбуждении ультрафиолетовым светом [Кузовкина и др., 1975; Eilert et al., 1986;

Roshchina, 2008] и окрашиваются пермангонатом. Такие идиобласты флуоресцируют в желто-оранжевой области спектра. В работе, выполненной Неманом и Муллером [Neumann, Muller, 1972] на растениях Sanguinaria canadensis, показано, что при избытке в клетках алкалоида сангвинарина и бензофенантридиновых алкалоидов они запасаются в идиобластах. Идиобласты клеточной культуры Peganum harmala, содержащей в питательной среде 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту, синтезировали и накапливали карболиновые алкалоиды и серотонин, известный нейротрансмиттер животных [Khafagi, 2007]. Алкалоиды также содержали идиобласты корней, каллюс и семена [Khafaqi, 2007].

Элептической формы идиобласты имели большую центральную вакуоль, где и концентрировались эти соединения. Индольные алкалоиды в губчатой паренхиме листа Catharanthus roseus флуоресцируют в желтой области спектра под ультрафиолетовым светом люминесцентного микроскопа, и их легко различить среди красной эмиссии хлорофилл-содержащих клеток [Mersey and Cutler, 1986; St-Pierre et al., 1999] Следует также отметить, что идиобласты являются местом накопения стероидных гликозидов, которые широко распространены в растениях. В листьях Diosсorea deltoidea присутствуют водорастворимые фуростаноловые гликозиды. Они локализованы в идиобластах, расположенных с обеих сторон листа [Гуриелидзе и др., 1988]. На срезах, обработанных реактивом Эрлиха, они выглядят в виде окрашенных в малиновый цвет клеток (Рис.5).

Идиобласты могут быть заполнены и слизью. Химический состав слизи у разных растений различен (см. раздел 3.4). У некоторых из них, например, у слизевых идиобластов корней Actinidia, этот секрет обогащен белками [Wang et al., 1994]. В растениях, относящихся к семействам Cactaceae, Сrassulaceae, Orchidaceae, в секреторных клетках накапливаются полисахариды в виде слизи, которая чаще всего секретируется в пространство между оболочкой и плазмалеммой, постепенно оттесняя протопласт к центру клетки. При этом уменьшается объем как цитоплазмы, так и вакуоли. В конце концов, полость клетки может целиком заполниться слизью, и клетка отмрет. Возможно, что секреция слизи происходит и в вакуоль [Васильев, 1977]. Тогда разбухшая вакуоль отодвигает протоплазму к оболочке. По данным О.В. Яковлевой [I988], исследовавшей ультраструктуру слизевых клеток эпидермиса 85 видов растений из 15 семейств, можно выделить три типа клеток по локализации секрета в полости клетки (вакуоль или свободное пространство), в межклетниках, или одновременно в обеих полостях - в полости клетки и межклеточниках. Автор предполагает, что выделение секрета за пределы клетки в межклеточники происходит через контакт тонопласта с плазмалеммой, что характерно и

–  –  –

для солевых клеток (см. раздел 3.2.). Содержание слизи подвержено сезонным колебаниям;

наибольшее количество отмечено зимой, снижено весной и достигает максимума летом [Distelbarth, Kull, 1985].

Секретирующие слизь клетки разных растений, пока сохраняются живыми, имеют сходную структуру, характерную для всех секреторных клеток Они богаты цитоплазмой, имеют сильно развитый аппарат Гольджи, многочисленные митохондрии с хорошо развитыми кристами [Васильев, 1977]. Кристаллы слизи часто обнаруживаются в идиобластах корней различных видов актинидий Actinidia hemsleyana, A. eriantha, A.rufa, A.chinensis [Wang et al., 1994]. Показано, что кристаллы (рафиды) слизи образуются первоначально в маленьких вакуолях, которые потом диффундируют в центральную вакуоль, где слизь далее аккумулируется вокруг таких рафидных тяжей. Идиобласты со слизью образуются преимущественно в паренхимных тканях разных органов, а также в эпидермисе стеблей, листьев. Слизевые клетки почти всегда присутствуют в генеративных органах - лепестках, цветоложе, тычиночной трубке, столбике.

Кроме специализированных слизевых клеток, в эпидермисе листа двудольных растений есть и такие, которые по форме и размерам отличаются от других клеток покровной ткани, но секретируют слизь. Так, если листья туи Thuja occidentalis накапливают слизь в идиобластах, то у тисса Taxus facсata - в вакуолях мезофильных клеток [Distelbarth, Kull, 1985] Рис.6. Сесквитерпеновые лактоны в масляных идиобластах растений сем. Magnoliaceae. 1 – костунолид-1, 10 эпоксид (магнолид), 2. – сантамарин. 3- михенолид. 4.- михелиолид. [Caniato, Cappelletti, 1984].

Идиобласты, содержащие полиизопрен гутту (см. раздел 2.3.2), часто встречаются в коре стебля Euсommia ulmoides [Tian et al.,1990]. Эти структуры образуются из меристематических клеток коры, на той стадии, когда прокамбий дифференцируется в первичные ситовидные элементы протоксилемы. Частицы гутты синтезируются и аккумулируются в цитоплазме, где одновременно с этим деградируют органеллы [Tian et al.,1990].

Из других видов секреторных клеток известны идиобласты, содержащие сесквитерпеновые лактоны [Caniato, Cappelletti, 1984], которые особенно распространены в растениях из семейства Magnoliaceae (Рис.6). Идиобласты с латексом внутри найдены в листьях и семенах родов Duidaea, Quelchia [Metcalfe, 1967]. В идиобластах встречаются и весьма редкие соединения. Так в идиобластах мужских и женских (пестичных) шишек представителей семейства Zamiaceae (распространенных в тропических влажных лесах и во влажных субтропических областях Америки) найден нейротоксин 2-амино-Зметиламино) - пропеновая кислота [Vovides, 1991]. Полагают, что этот токсин может принимать участие во взаимоотношениях растений с насекомыми.

Идиобласты и связанные с ними секреторные вместилища растений из семейства Myrsinaceae, в частности корнях и ксилеме стеблей Myrsine laetevirens (Mez) Arechav, включают гидроксибензохинон и его производные (рапанон-главный компонент) [Otegui et al., 1998]. Причем вместе с этими соединениями в составе секреторных структур присутствуют липиды. Гидроксибензохиноны в виде оранжевых кристаллов откладываются на поверхности плодов и семян. Синтез соединений, как предполагается, происходит в пластидах, эндоплазматическом ретикулюме и вакуолях

1.6. СЕКРЕТИРУЮЩИЕ МИКРОСПОРЫ Растительные микроспоры представляют собой одиночные клетки, покрытые многослойной защитной оболочкой, поверхностная часть которой называется экзиной, а внутренняя – интиной [Stanley and Linskens, 1974; Поддубная-Арнольди, 1976;

Сергиевская, 2002]. Это - одноклеточные системы, участвующие в процессах размножения и активно секретирующие метаболиты в окружающую среду. C точки зрения механизмов клеточного выделения веществ, описанных в разделах 1.3 и 1.4, в микроспорах происходят те же этапы секреции в свободное пространство и в вакуоль. В пыльце разных видов подробно изучен экзоцитоз (см. далее).

Микроспоры способны к быстрому делению и росту при культивировании на искусственных средах. Такие клетки весьма чувствительны к выделениям других клеток и могут служить биосенсорами на определенные компоненты секретов, которые участвуют в узнавании и рецепции [Рощина, 2006; Roshchina, 2005b; 2007a; 2008]. Структуры таких клеток удобны для прижизненного анализа с помощью новейшей аппаратуры (лазерной сканирующей микроскопии, микрофлуориметрии, микроспектрофотометрии и др.) и используются в клеточной биологии.

Ниже будут рассмотрены в качестве одиночных секретирующих клеток вегетативные и генеративные (пыльца) микроспоры.

Вегетативные микроспоры. Вегетативные микроспоры споровых растений (папортников, хвощей и др.) представляют собой клетки с двойным набором Рис. 7. Вегетативные микроспоры хвоща полевого Equisetum arvense [Рощина, 2006; и неопубликованные данные]. А.– рисунок споры, Б - ее автофлуоресценция под люминесцентным микроскопом. Бар = 20 мкм. В. светло-зеленая флуоресценция секрета вокруг темной споры после обработки глиоксилатом. Возбуждение эмиссии 360-380 нм.

хромосом в ядре. Они служат для размножения и способны к автотрофному питанию при прорастании, поскольку содержат хлоропласты, где осуществляется фотосинтез. Споры хвоща полевого имеют элатеры - гибкие структуры, служащие для прикрепления спорык субстрату- почве (Рис.7). Они легко прорастают на искусственных питательных средах или просто в воде. Одноклеточная спора, сбросив жесткую оболочку-панцирь, делится пополам, и одна из клеток дает начало многоклеточному таллому, а другая ризоиду, с помощью которого этот таллом прикрепляется к почве. Для вегетативной микроспоры Equisetum arvense характерно изменение цвета флуоресценции при возбуждении ультрафиолетовым светом люминесцентного микроскопа с голубой (у непроросшей споры) на красную (у развивающейся споры) [Рощина и др., 2002; Roshchina et al., 2004].

Увеличение красной эмиссии почти в два раза по сравнению с непроросшей спорой происходит за счет усиления синтеза хлорофилла и азуленов после смачивания сухих микроспор водой. Наблюдение прорастания микроспор хвоща проводят, отмечая деление клеток и появление ризоида просто под обычным микроскопом или по флуоресценции под люминесцентным микроскопом [Roshchina, 2007b; 2008]. Вегетативные микроспоры хвоща полевого Equisetum arvense, смогут быть наиболее удобной моделью для разных клеточных исследований [Рощина, 2006].

В вегетативных микроспорах хвощей и папортников обнаруживаются физиологически активные соединения, стимулирующие или ингибирующие рост и развитие – такие как стерилпиронгликозиды [Veit et al., 1995] и азулены [Roshchina, 2008], а также разнообразные ферменты гидролазы (эстеразы, холинэстераза) [Roshchina, 2004, Буданцев, Рощина, 2004; 2005; Budantsev, Roshchina, 2007; Roshchina, 2009].

Холинэстеразы выделяются из клеток. Показано, что микроспоры хвоща выделяют катехоламины при смачивании (реакция с глиоксалатом на рис.7 В.) [Рощина и др., 2011].

В целом, состав выделений вегетативных микроспор пока еще слабо изучен.

Генеративные микроспоры (пыльца). Пыльцевые зерна являются генеративными микроспорами или мужским гаметофитом семенных растений. Женским многоклеточным гаметофитом является пестик, обладающий рецепторами к выделениям пыльцы. При смачивании водой или секретом пестика пыльца выделяет секрет наружу (капли секрета на Рис.8). Узнавание своей, а не чужеродной пыльцы, происходит на поверхности рыльца пестика, тоже выделяющего секрет, который может стимулировать прорастание пыльцевого зерна. В отличие от вегетативных микроспор споровых растений пыльца содержит только одинарный набор хромосом в ядре, и при прорастании, когда появляется амебо-подобный вырост - пыльцевая трубка, образует мужские гаметы – спермии.

Спермии движутся к концу пыльцевой трубки. Если пыльца проросла на рыльце пестика (женском гаметофите), пыльцевая трубка проникает в семязачаток к яйцеклетке, и один из спермиев сливается с яйцеклеткой [Webb, Williams, 1988]. В результате образуется зигота, содержащая уже двойной набор хромосом, из которой развивается зародыш семени.

Рис. 8. Флуоресцирующаям пыльца (генеративные микроспоры) семенных растений под лазер-сканирующим конфокальным микроскопом [Roshchina et al., 2011]. Лазер 405 нм Сухая (а) и секретирующая после смачивания водой (б) пыльца лилии гибридной Lilium spp. Бар = 100 мкм. Сухая (в) и секретирующая после смачивания водой (г) пыльца цикория обыкновенного Cichorium intybus L. Бар = 10 мкм. В секретирующих образцах видны капли секрета.

Секреция в пыльце семенных растений, как в и соматических клетках, может происходить в свободное пространство зрелой микроспоры или в вакуоли при созревании пыльцевого зерна в пыльнике (большая вакуоль созревающего пыльцевого зерна после первого митоза разделяется на маленькие вакуоли [Yamamoto et al., 2003]). Компоненты секреторных путей обнаружены и подробно исследованы у пыльцы ряда растения, в частности у лилии [Ibrahim et al., 2002] и арабидопсиса [Yamamoto et al., 2003]. Пыльца секретирует белки и липофильные соединения наружу через свободное пространство клетки между протоплазматической мембраной и сложной клеточной оболочкой уже в первые минуты после смачивания [Stanley and Linskens, 1974]. Прорастающая пыльца и особенно апикальная часть пыльцевой трубки осуществляют экскрецию путем экзоцитоза [Camacho and Malho, 2003; Parton et al.,2001; 2003; McKenna et al., 2009].

В секретах пыльцы есть вещества, участвующие в узнавании пестиком пыльцы, а также вещества, участвующие во взаимодействии пыльцы разных видов. Cреди них ацетилхолин и гистамин, к которым в пестиках существуют рецепторы, аналогичные соответственно холинорецепторам и гистаминовым рецепторам животных [Roshchina, 2001a]. Холинэстеразная активность (фермент холинэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина) найдена в вегетативных микроспорах хвоща полевого и в пыльце более чем 25 видов растений [Roshchina et al., 1994; Roshchina, 2001a,b; Roshchina, 2004, Буданцев, Рощина, 2004, 2005; Roshchina, 2007a; Budantsev, Roshchina, 2007]. Скорость гидролиза ацетилхолина этими объектами сравнима с той, что наблюдается в клетках животных. В хеморецепции принимают участие и собственно пыльцевые зерна, которые могут распознавать чужеродную пыльцу по ее секрету. В этом случае рассматривается химическое взаимодействие пыльцы разных видов на рыльце пестика. Такое взаимодействие называют пыльцевой аллелопатией [Murphy, 2007]. Кроме соединений, участвующих в хеморецепции, в составе пыльцевых секретов есть и соединения, стимулирующие или ингибирующие прорастание пыльцы. Это - белки, такие как лектины, гидролазы, пероксидаза и др. [Поддубная-Арнольди, 1976; Stanley and Linskens, 1974;

Ковалева, 1994; Ковалева и др., 1999] или флавоноиды [Stanley and Linskens, 1974; Murphy, 1992]. Среди биологически активных компонентов пыльцы, действующих и на животные организмы (в частности на привлечение насекомых), известны половые гормоны тестостерон и его производные [Saden-Krehula et al., 1971]. Особую роль играют выделения пыльцы как аллергены, что весьма существенно для здоровья человека [Puc. 2003].

Аллергенами могут быть как белковые соединения, так и биогенный амин гистамин, найденные в пыльцевых зернах [Stanley and Linskens, 1974].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем экзоцитоза.

Внутриклеточная секреция - эволюционно обусловленный путь удаления избытка метаболитов, не являющихся необходимыми в данный момент для функционирования цитоплазмы.

Продуктами внутриклеточной секреции в большинстве случаев являются соединения, образованные в процессе фотосинтеза, и основное место их образования мембраны хлоропластов, хотя некоторые из них синтезируются и в других органеллах:

эндоплазматическом ретикулюме, аппарате Гольджи и его везикулах, микросомах, лейкопластах. Выделяемые в секреторном процессе вещества разнообразны по химической природе. Это - прежде всего продукты основного первичного обмена: углеводы, белки, гормоны, а также продукты вторичного обмена: терпеноиды, флавонолы, алкалоиды и др., обладающие высокой биологической активностью. Растения имеют два основных пути защиты от химически реактивных вторичных веществ. Один из них - компартментация в физически разделенных специфических органеллах. Другой путь защиты - это химическая модификация до относительно безвредных соединений. Эти соединения также могут быть изолированы локализацией в определенных компартментах клетки.

Внутриклеточная секреция в основном осуществляется в вакуоль и в свободное пространство клетки. С выделением веществ в свободное пространство клетки связаны формирование конституционных частей клетки (оболочка и ее инкрустация) или (и) подготовка продуктов обмена к эвакуации в окружающую среду или межклеточные пространства многоклеточного организма. Секреция в вакуоль имеет другое назначение. В вакуоли откладываются соединения, которые являются запасными веществами и могут включаться в метаболизм клетки или вторичные вещества, которые таким путем исключаются из активно метаболизирующей части клетки.

Значение продуктов вторичного обмена в клеточном соке выяснено недостаточно.

Ранее их рассматривали как конечные продукты обмена. Однако в настоящее время показано, что многие из них могут вовлекаться в процессы метаболизма и поэтому их можно рассматривать как запасные вещества.

Синтез и секреция вторичных метаболитов, хотя и осуществляются неспециализированными клетками, но эти процессы у них развиты относительно слабо. В растениях имеются специализированные клетки (идиобласты), секреторные процессы в которых являются основными. В них накапливаются соли и различного рода органические соединения вторичного обмена веществ. Пока секреторные клетки сохраняются живыми, они имеют структуру типичных секреторных клеток. Они богаты цитоплазмой, преобладающим компонентом которой, является эндоплазматический ретикулюм.

Первичные механизмы транспорта через мембраны также являются общими как для всех секреторных, так и несекреторных клеток [Carter et al., 2004].

Эндогенные идиобласты являются самыми примитивными секреторными образованиями. Они ближе всего стоят к неспециализированным паренхимным клеткам, а также присутствуют среди недифференцированных клеток культур тканей. Идиобласты отличаются от остальных клеток, главным образом, тем, что обычно функционируют только, как специализированные клетки, продуцирующие секрет.

Одноклеточными секретирующими объектами, служащими для размножения являются вегетативные микроспоры споровых растений и генеративные микроспоры (пыльца) семенных растений. Компоненты их выделений участвуют в процессах узнавания клеток своего вида и регуляции их развития.

Глава 2. ВНУТРИТКАНЕВАЯ СЕКРЕЦИЯ

2.1. ВОЗДУХОНОСНАЯ СИСТЕМА РАСТЕНИЯ.

Внутренние ткани растения пронизаны системой межклеточных пространств, которые заполнены либо газами и образуют воздухоносную систему, либо разнообразными секретами и образуют систему внутритканевых секреторных каналов [Kucera, 1985].

Система межклеточных пространств, заполненных воздухом, имеется почти во всех тканях растения. Хорошо развиты межклеточные ходы в листовой пластинке и фотосинтезирующей паренхиме стебля, менее богата ими зрелая паренхима, а меристематические ткани обычно межклеточников не содержат. На основании изучения проницаемости растительных органов для газов, поступающих под давлением, было установлено, что в растениях имеются две системы межклеточников - сплошная и прерывистая.

Система сплошных межклеточников достигает в растениях значительных размеров, благодаря чему воздух и индивидуальные газы могут переходить из одной части растения в другую. Широкоразветвленной системой межклеточных пространств характеризуются листья покрытосеменных растений. Воздушные ходы занимают в них 10—60% объема.

Это - основные пути диффузии газов, в основном кислорода, углекислого газа, водяного пара [Jeffree et al., 1986]. Развитая система межклеточников у растений, которые обитают в среде с затрудненным газообменом, у травянистых болотных и водных растений имеется специальная воздухоносная ткань - аэренхима, образование которой индуцируется кислородной недостаточностью [Justin and Armstrong, 1987; 1991].

На это указывают опыты [Focke, 1985], в которых исследовалась аэренхима коры корня ежи сборной Dactylis glomerata и влаголюбивых видов овсяницы Festuca. Развитой системой межклеточников обладают и некоторые мезофиты - Phaseolus vulgaris, Vicia faba, Zea mays и др. Движение газов происходит у них не только по центру воздухоносной полости, но и по межклеточникам паренхимы и флоэмы стебля.

Межклеточные пространства являются внутренней средой организма и играют важную роль в его жизнедеятельности. Несмотря на то, что межклеточники сообщаются с внешней средой через многочисленные устьица и чечевички, состав газов в них сильно отличается от атмосферного. Он более разнообразен, так как зависит от метаболизма и газоэкскретов клеток, окружающих межклеточники. У некоторых злаков, например тростника южного Phragmites australis (Cav.) Trin ex Steud, наблюдается конвекционный (конвекция – перенос тепла, который осуществляется в частности потоками воздуха) поток газов через межклеточники [Armstrong J., Armstrong W, 1991].

Клеточные оболочки, выстилающие межклеточные ходы, отличаются значительной биохимической активностью [Саляев, 1969]. В их составе обнаружены ферменты (см.

также 1.3), и, следовательно, могут осуществляться многочисленные биохимические процессы, приводящие к образованию различных органических веществ.

Эти соединения можно обнаружить в межклеточном пространстве растений. В определенные периоды жизни компоненты клеточных оболочек, участвующие в образовании скелета растений, могут подвергаться частичному гидролизу и вовлекаться во вторичный обмен веществ, что также не может не отражаться на химическом составе внутритканевых пространств растений. Не менее важно свойство клеточных оболочек, находящихся в контакте с внутренней газовой средой растения, насыщенной водяными парами, сорбировать пары и газы и десорбировать их во внутреннюю среду растения. Иными словами клеточные оболочки обладают свойствами поливалентных адсорбентов, для которых характерны разные типы связей с адсорбированными соединениями [Саляев, 1969]. Таким образом, во внутренней газовой среде растения могут происходить довольно сложные превращения, обусловленные особенностями оболочек клеток, окружающих межклеточные ходы.

Изучение внутренней газовой среды растений имеет важное значение прежде всего потому, что содержимое межклеточных пространств является показателем состояния общего метаболизма растения. Поскольку межклеточники сообщаются между собой и в них попадают газообразные продукты из разных частей растений, эти соединения (среди них и гормон этилен) могут направлять и регулировать общий метаболизм, а также включаться в него на определенных этапах.

2.2. ВНУТРЕННИЕ ГАЗЫ Состав газов во внутренней среде растения начали изучать более двух столетий тому назад.

Большое внимание уделялось исследованию газового состава листьев. Так как листья приспособлены к интенсивной аэрации, то существовало мнение, что газовая среда листьев близка по составу атмосферному воздуху. В дальнейшем это оказалось справедливым только по отношению к азоту. Содержание же кислорода и углекислого газа подвержено сильным колебаниям и нередко значительно отличается от концентрации в атмосфере.

2.2.1. Углекислый газ Количество СО2 в листьях растений часто выше, чем в окружающем воздухе. Например, в листьях сахарной свеклы Beta vulgaris var. altissima содержание этого газа может колебаться от 1 до 7% [Рубин, Панасенко, 1956]. В листьях толстянковых Crassulaceae в зависимости от вида растения концентрация углекислого газа составляет 0,15—2,5% [Cockburn et al., 1979]. Необычайно высокие концентрации CО2 зафиксированы в листьях древесных растений в период жаркого засушливого лета [Рощина, 1975]. Полагают [Culotta, 1995], что растения извлекают определенную выгоду. Усиливается фотосинтез, причем воздействие этого газа проявляется и на уровне фотосинтетического электронного транспорта [Roshchina et al., 1983].

Количество CО2 во внутреннем воздухе листьев отражает влияние целого ряда внутренних и внешних факторов, из которых наибольшее значение имеют фотосинтез и дыхание. Некоторое значение может иметь темновая фиксация СО2, разложение на свету органических кислот [Солдатенков, 1971] и поступление CО2 через корни [Курсанов и др., 1952]. Высокое содержание двуокиси углерода в межклеточниках стеблей травянистых растений горных лугов и болот обнаружили Билингс и Годфри [Billings, Godfrey, 1967].

Много углекислоты найдено в межклеточниках корневых систем. Бурстрем [Burstrom, 1959] сообщает, что корни пшеницы Triticum, выращенные на питательном растворе, имеют разветвленную сеть межклеточников, наполненную газом. В меристематических тканях, расположенных на концах корня, внутренняя газовая фаза состояла практически из чистой углекислоты.

Первые обобщающие сводки о содержании газов в стволах древесных растений составлены Мак Дугалом и Уоркингом [MacDougal, Working, 1933]. Установлено, что в стволах воздух занимает значительную часть объема. Ядро древесных растений содержит больше газов, чем заболонь. В стволах лиственных пород газов накапливается больше, чем у хвойных. По составу воздух стволов деревьев и кустарников отличается от атмосферного воздуха большим количеством углекислого газа, во много раз превышающим его содержание в атмосфере. Например, в древесине сосны Pinus CО2 содержится в 200 раз больше, чем в атмосфере, в грецком орехе Juglans regia- в 600 раз [Яценко-Хмелевский, 1954]. У тополя Populus deltoides содержание углекислого газа в стволе может достигать 26% [Schaedle, 1975], в побегах 5—7-летнего возраста лиственных пород - 23% [Рощина, 1975].

Распределение CО2 по растению неравномерно. Образуемый живыми клетками углекислый газ может накапливаться не только в межклеточных пространствах, но и в сосудах и трахеидах, в связи с чем, значительная часть ксилемы может быть заполнена воздухом. Внешняя заболонь заполнена водой и поэтому накапливает мало газа. Больше всего содержится газов в ядровой древесине, которая служит как бы резервуаром для выделившихся газов. Межклеточные пространства флоэмы связаны с наружним воздухом порами, поэтому накапливают меньше CO2 [MacDougal,Working; 1933].

Сезонные изменения газов в стволе древесных растений изучены рядом авторов [MacDougal, Working, 1933; Chase, 1934]. Обнаружено, что содержание углекислого газа велико в течение вегетационного периода и очень мало зимой. Сезонные колебания содержания СО2 в побегах древесных пород изучались В. Д. Рощиной [Рощина, 1974, 1975]. В отличие от ранее выполненных работ был применен газовый хроматографический анализ, который позволил исследовать большой набор древесных растений. Одновременно с определением содержания CO2 были проанализированы интенсивность дыхания и влажность побегов (Рис. 9).

Содержание углекислоты во внутрённем воздухе завнсело от времени года и видовых особенностей растений, но всегда было во много раз выше, чем в окружащем воздухе. В течение зимнего периода концентрация газа существенно не менялась из-за сокращения до минимума связи растения с окружающей средой. Наиболее высокий уровень наблюдался весной и совпадал с началом сокодвижения и усилением интенсивности дыхания, пробуждением растений к активной физиологической деятельности.

У ряда растений отмечена связь между возрастанием углекислого газа во внутренней атмосфере и повышением влажности. В период формирования листьев концентрация газа снижалась. Создавалось впечатление, что накопившийся в период покоя углекислый газ передвигался вверх по стеблю и использовался молодыми листьями в процессе фотоассимиляции. Возможность перемещения углекислоты в транспирационном токе древесных растений и ее реутилизация при фотосинтезе были доказаны экспериментально Зелавски и Рич [Zelawski, Riech, 1970] и затем подтверждены Шедлем (Schaedle, 1975]. В весенний период перед распусканием листьев возникает градиент концентраций Рис.9. Сезонные изменения концентрации СО2, интенсивности дыхания и влажности 4-6 летних побегов деревьев. А –тополь бальзамический Populus balsamifera L., б – береза бородавчатая Betula verrucosa Ehrh, в – скумпия Cotinus coggygria Scop., г – лиственница европейская Larix decidua Mill., д – сосна Веймутова Pinus strobus L., е- липа мелколистная Tilia cordata Mill.

СО2 между корой и древесиной, листьями и стеблем [Рощина, 1975]. Он обеспечивает диффузионное движение газа из коры в проводящую систему и из стебля в листья.

Накопление углекислого газа связано с физиологическим состоянием растений и изменяется при внешних неблагоприятных воздействиях. По данным Н. А. Новикова и В.

А. Соловьева [1973], газовый режим пораженной грибами древесины ели Picea excelsa характеризуется большими концентрациями CO2 (до 21%) и малым содержанием O2 (до 0,4%). Для заболони же здоровых елей на глубине 1,5-2 см концентрации CO2 составляют от 1,1 до 2,9%, а содержание O2 - от 15,5 до 19,4%. Значительно повышается концентрация углекислоты в тканях растений, вмерзших в лед. Растения озимой пшеницы в таких условиях накапливали до 44% CO2 [Ракитина, 1970].

Необходимо отметить, что количественные результаты газового анализа внутренней атмосферы растений требуют критического отношения, так как они зависят от способа взятия пробы. Специально проведенные опыты показали, что состав извлекаемых газов обусловлен разряжением, при котором извлекается проба. При значительных разряжениях газы начинают выделяться из жидкой среды, где соотношение атмосферных газов вследствие разной растворимости иное, чем в газовой фазе. Метод-вакуумной экстракции, к которому прибегали многие авторы, дает возможность определять лишь общее количество CO2 и O2 и не дает возможности отделить свободный газ от газа, растворенного в клеточном соке. Лангер и др. [Langer et al., 1984] разработали метод исследования внутренних газов без использования вакуума. Сборник газов представляет собой перфорированный капилляр, покрытый газопроницаемой мембраной, из которого газ поступает в масс-спектрометр.

О значении внутренних газов для физиологической деятельности растения известно очень мало. Однако о возможном их влиянии можно судить на основании опытов с искусственной газовой средой, в которой находилось растение. Во многих работах описано влияние углекислоты на фотосинтетические реакции [Punnet, 1965; Govindjee, Rensen, 1978; Larigauderie, 1986], а также на синтез пигментов [Верзилин и др., 1985; KhaveriNejad, 1986], процессы аэробного и анаэробного дыхания [Гринева, 1975; Siriphanich, Kader, 1986], состояние устьиц, интенсивность транспирации [Stalfelt, 1967, Pallaglhy, 197l], тypropное давление, буферное равновесие [Siriphanich, Kader, 1986], движение цитоплазмы и хлоропластов [Grtner, 1970], проницаемость клеток и поглощение минеральных солей [Kramer, Jackson, 1954], обмен органических кислот [Солдатенков, 1971; Chong, 1975] и многие другие процессы. Таким образом, углекислый газ внутренних тканей растения, по-видимому, может являться мощным регулятором обменных процессов и в конечном итоге – роста и развития растений.

Немаловажную роль для регуляции физиологических процессов играет взаимодействие углекислого газа с этиленом. Сислер и Вуд [Sisler, Wood, 1988] в своем обзоре приводят данные, из которых следует, что действие CO2 и этилена зависят от концентрации взаимодействующих компонентов. Низкие уровни CO2 усиливают действие этилена. Например, при стимуляции этиленом удлинения стеблей водных растений и растяжении корешков при прорастании семян. Высокие концентрации как CO2, так и этилена противодействуют друг другу, и это проявляется при регуляции опадения листьев и плодов, подавлении роста, старении цветков, созревании плодов, индукции образования ряда ферментов. Так углекислый газ стимулирует растяжение корешков редиса Raphanus sativus, ингибированное этиленом [Radin Loomis, 1969], устраняет угнетение этиленом срезанных цветущих гвоздик Dianthus [Smith, Paker, 1966], тормозит стимулированное этиленом опадение черешков листьев фасоли Phaseolus vulgaris, хлопчатника Gossypium и других растений [Abeles, 1972] (см. также раздел 2.2.2). В 1987 году появилась первая работа [Stuhlfauth et at., 1987], в которой обсуждался вопрос о влиянии повышенных концентраций СО2 на вторичный метаболизм растений. В качестве примера приводятся данные об увеличении образования сердечных гликозидов у Digitalis lanata. При увеличении концентрации СО2 в 3 раза по сравнению с контролем у 60% растений увеличивалось содержание дигоксина. Поскольку среди экскретов преобладают вторичные соединения, работа представляет особый интерес.

Учитывая практическую значимость вопроса, ученых интересовало значение концентрации двуокиси углерода во внутренних тканях для устойчивости растений к неблагоприятным условиям внешней среды. 3. Г. Ракитина [1970] показала, что существует глубокая связь между глубиной повреждения вобегов, вцерзших в лед, и степенью нарушения газообмена. Уиллман и Браун [Willman, Brown, 1930] также установили определенную зависимость между содержанием углекислоты и морозоустойчивостью растений. Более стойкие к морозам сорта яблонь Malus domestica накапливали меньше углекислого газа, чем менее устойчивые. Показана также зависимость от газового режима внутренней среды устойчивости растений к затоплению [Chang et al., 1983]. Неустойчивый сорт батата Ipomoea batatas отличался высоким содержанием СО2 и низкой концентрацией кислорода в корнях. Напротив, у устойчивого сорта газовая атмосфера корня мало изменялась при аноксии. В условиях недостатка кислорода у неустойчивых сортов наблюдаются физиологические нарушения. Отмечено снижение уровня АТФ и способности к окислительному фосфорилированию. Одновременно повышалась способность к синтезу этанола. Подобные же результаты получены [Good, Patrick, 1987] в опытах по затоплению одногодичных растений дуба черного Quercus nigra, неустойчивого к затоплению, и ясеня Fraxinus pennsylvanica, устойчивого к тому же воздействию. Состав газов внутри корней ясеня отличался большим содержанием CO2 и меньшим количеством углекислого газа, чем у дуба. У ясеня оказалась более активной алкогольдегидрогеназа, осуществляющая превращение алкоголя в ацетальдегид. Следовательно, исследованные виды отличались по способности поддерживать окислительные процессы в течение продолжительного времени затопления и предохранять ткани от накопления ядовитых продуктов.

Повышение концентрации CO2 сопровождается почти эквивалентным снижением кислорода, вследствие чего ткани могут испытывать кислородную недостаточность. При этом наблюдается снижение уровня дыхания. В диапазоне концентраций 20-2% CO2 дыхание ослабевает пропорционально снижению кенцентрации кислорода [Гринева, 1975].

При дальнейшем понижении кислорода в среде (менее 2%) нормальное дыхание нарушается и активируется процесс спиртового брожения. В условиях ограниченного доступа кислорода замедляется окислительное фосфорилирование и подавляется образование АТР. Таким образом, биосинтетические процессы лишаются источника энергии. Эти данные показывают, что состав газовой среды растения оказывает значительное влияние на функции клеток и их отдельных структур.

2.2.2. Этилен Этилен - одно из простейших органических веществ, свойства которого изучены лучше других газообразных растительных соединений. Этилен постоянно образуется в растительных тканях в процессе нормального обмена веществ. Он найден в выделениях плодов с мясистым перикарпием [Ракитин, 1967], увядающих соцветий [Nichols, 1966], прорастающих семенах [Abeles, 1972], изолированных корнях [Radin, Loomis, 1969], листьях [Debata.Murty, 1983] и других органах и частях растений. Во внутреннем воздухе растений, полученном с помощью вакуумной экстракции, этилен был обнаружен Байером и Морганом [Веуег, Morgan, 1970]. Значительное количество (1 мл/л) этилена накапливается в воздушных пространствах у погруженных в воду частей риса Oryza [Raskin, Kende, 1984].

Газовая среда включала и другие газы: O2 - 3%, CO2- 6% и N2 - 91%. Содержание этилена было также определено [Ракитин В. Ю., Ракитин Л. Ю., 1986] в атмосфере межклеточников плодов лимона (табл. 2). Газы из межклеточников были получены при разряжении 650 мм, а внутритканевые газы - при разряжении 5 мм ртутного столба (Авторы, очевидно, указывают остаточные давления). Содержание этилена было выше в зрелых плодах, чем в незрелых. В атмосфере межклеточников этилена было больше примерно в 2 раза по сравнению с внутренними тканями. Напротив, внутритканевая концентрация углекислого газа, как в зрелых, так и в незрелых плодах была намного выше, чем в атмосфере межклеточников.

Таблица 2. Содержание этилена, CO2 и O2 в зрелых плодах тепличной культуры лимона сорта Грузинский [Ракитин В.

Ю., Ракитин Л.Ю., 1986]

–  –  –

Концентрация этилена не остается постоянной и изменяется в зависимости от многих внешних и внутренних условий. Особенно сильно количество газа возрастает в период листопада (табл.3). На небольшом расстоянии от зоны Таблица 3. Образование этилена сегментами (1 см) черешка Parthenocissus quinquefolia [Jacson, Osborn, 1970].

Время, ч Стадия Этилен, нл/ час

–  –  –

опадения листьев содержание этилена увеличивается в 6-14 раз [Jackson, Osborn, 1970].

Размеры аэренхимы корней и стеблей могут регулироваться этиленом и кислородом [Jackson, 1989].

Место синтеза этилена в клетках высших растений до сих пор точно не установлено.

Попытки такого рода не увенчались успехом, потому что этиленобразующие растительные ткани прекращают образование этилена после гомогенизации. Однако при разрушениях мягкой обработкой клеток все же удалось получить субклеточные фракции, способные осуществлять синтез этого газа.

В 80-х годах появились сообщения [Mattoo et al., 1977; Mattoo, Lieberman, 1977], что местом синтеза этилена может быть комплекс клеточная стенка - клеточная мембрана, где обнаружены ферменты, синтезирующие этилен. По другим данным [Guy, Kende, 1984], до 80% общего количества этилена образуется в вакуоли. Выводы основаны на опытах с изолированными вакуолями, полученными из протопластов Pisum sativum и Vicia faba.

Поскольку один из непосредственных предшественников этилена АЦК

- (1аминоциклопропан-1-карбоновая кислота) образуется в цитоплазме, то полагают [Guy, Kende, 1984], что АЦК перемещается из протоплазмы в вакуоль, где превращается в этилен. По-видимому, вакуоль не единственное место в клетке, где синтезируется этилен.

Образование этилена, возможно, осуществляется и в хлоропластах, поскольку выделенные хлоропласты образуют этилен из метионина в присутствии пиридоксальфосфата, ферредоксина и электронного донора [Koenze, Elstner,1976].В настоящее время завершена расшифровка основного пути образования этилена в растении, появилось также много данных о ферментах и регуляции биосинтеза газа. Современное состояние этого вопроса обобщено в виде схемы (Рис. 10). Согласно представлениям [Adams, Yang, 1981; Yang, Hoffmann, 1984; Yang, 1985; De Paepe, van der Straeten, 2005.], этилен образуется из аминокислоты метионина (мет) через S-аденозил-метионин (САМ) и 1-аминоциклопропанкарбоновую кислоту (АЦК). При этом в результате функционирования метионинового цикла (Yang-цикл) происходит ресинтез серусодержащей аминокислоты: САМ 5метилтиоаденозин 5-метилтиорибоза 5-метилтиорибоза-1-фосфат 2-кето-4метилбутирил метионин. Ключевыми реакциями в синтезе этилена являются реакция превращения САМ в АЦК, которую катализирует АЦК-синтаза, и реакция образования этилена из АЦК при участии этилен-образующего фермента (ЭОФ). Отметим, что САМ является не только предшественником этилена, но и главным донором метила в различных биосинтезах, включая синтез полиаминов, и модификацию белков, липидов и нуклеиновых кислот [Wang et al., 2002].

В обзоре Кенде [Kende, 1989] приведены сведения о выделении, очистке и характеристике ферментов, участвующих в процессе биосинтеза этилена. Основной фермент, лимитирующий стадию АЦК С2Н4, выделен из перикарпия плодов томата Lycopersicon esculentum, тыквы Cucurbita L. и этиолированных проростков маша Phaseolus aureus. Этиленобразующий фермент оказался прочно связанным с мембранами и при гомогенизации тканей разрушается. Свойства этого фермента изучены in vivo на препаратах вакуолей, которые способны превращать аминоциклопропанкарбоновую кислоту в этилен.

Биосинтез этилена зависит от фазы развития растения и регулируется разнообразными факторами внешней сред. Например, при созревании плодов происходит индукция АЦК-синтазы и усиливается синтез этилена. При созревании также увеличивается активность ЭОФ [Adams,Yang, 1981; Yang, Hoffmann, 1984]. Механическоe повреждение, охлаждение, засуха, затопление, патогены, ауксины стимулируют образование этилена. Поскольку концентрация СО2 в растениях непрерывно колеблется, значительный интерес представляют работы, в которых исследуется влияние именно этого фактора ва этиленобразующий фермент. По данным Философ-Хадас с сотрудниками [Philosoph-Hadas et al, 1986] в дисках из листьев табака Nicotiana tabacum наблюдается Рис.10. Схема биосинтеза этилена и его регуляции. Адаптировано по [Adams, Yang, 1981;

Yang, Hoffman, 1984]. 1 – лимитирующий участок в биосинтезе; 2 – индукция синтеза фермента; 3 – ингибирование реакции. Аде – аденин, Адо – аденозин, АВГ – аминоэтоксивинилглицин, АУК – аминооксиуксусная кислота, ИУК – индолилуксусная кислота зависимость ЭОФ от этого фактора. При измерении концентрации углекислого газа от 0 до 2% активность энзима возрастала, при 2-3% - не изменялась и затем увеличивалась.дри повышении концентрации СО2 в темноте до 5%, а на свету - до 10%. Таким образом, углекислый газ оказывает стимулирующее действие на реакцию превращения АЦК в этилен, что еще раз подчеркивает регуляторные функции этого газа.

Обращает на себя внимание исследование влияния цитокининов на биосинтез этилена в листьях хлопчатника Gossypium [Suttle, 1986], в котором стимуляция образования этилена природными и синтетическими цитокининами связывалась с увеличением биосинтеза АЦК и ее превращениями в этилен. В другой работе [PhilosophHadas et al, 1989] на листьях дисков шпината Spinacia доказано усиление биосинтеза этилена под влиянием не только цитокинина, но также гиббереллиновой и абсцизовой кислот. Фитогормоны действовали как на образование эндогенного этилена, так и на образование этилена из 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК). Торможение биосинтеза вызывают вещества, блокирующие образование предшественника этилена АЦК или непосредственно этилена (Рис.10). В последнем случае блокируется активность этилен-образующего фермента [Yang, Hoffman, 1984] (cм. также раздел 6.2.I).

Количество этилена, образуемого тканями растений, невелико и варьирует в чрезвычайно широких пределах. Скорость выделения этилена листьями Ranunculus sceleratus на свету составляет 0,4, в темноте- 0,77 нмоль г-1сырой массы/ч [Horton, 1985].

Плоды также выделяют этилен в количестве от 2,2.10-3 (Citrus sinensis) до 16 нмоль г-1 сырой массы/ч (Passiflora) [Дженсен, 1968].

Этилен - очень реакционноспособное соединение, его химические свойства обусловливаются главным образом межуглеродной двойной связью. По современным представлениям, этилен - гормон, который контролирует многие реакции роста и развития растений. Он регулирует прорастание семян, удлинение и утолщение стебля [Abeles, 1986], рост растяжением [Satler, Kende, 1985], половую дифференцию цветков [Byers et al., 1972], вызывает дозревание плодов [Adams, Yang, 1981], старение ткани [Abeles, 1972].

Эти феномены отражают действия этилена на физиологические и биохимические процессы:

угнетение фотосинтеза [Kays, Pallas, 1980; Pallas, Kays, 1982; Sguler et al., 1985], редукцию мембранных систем хлоропластов [Shimokawa et al., 1978], снижение интенсивности дыхания [Chee-Kok Chaim, Frenkel, 1977], изменение синтеза белка [Tucker, Latis, 1984], проницаемость мембран [Faragher, Mayak, 1984], транспорт ауксина [Lyon, 1970], передвижение активность ферментов cахаров [Jackson, Osborn, 1970], аденозинтрифосфатазы [Olson, Spencer, 1968], цитохром с-оксидазы [Apelbaum et al., 1984], ДНК и РНК-полимераз [Apelbaum et al., 1984], перокcидазы [Imaseki, 1970] и другие процессы.

Механизм действия этилена на молекулярном уровне неясен. Однако уже выявлены участки обмена, на которые он может влиять [Bleecker and Kende, 2000; Bisson and Groth, 2010; Zhao and Guo, 2011]. Так во время созревания плодов или опадения листьев этилен в клетках-мишенях связывается со специфическим белковым рецептором и стимулирует de novo синтез и выделение ферментов, расщепляющих клеточные стенки, таких, как целлюлаза. Этиленсвязывающий компонент мембран был изолирован из растительной ткани. Им оказался металл-содержащий фермент, локализованный, главным образом, в эндоплазматическом ретикулюме и в меньшей мере - в плазмалемме [Sisler,Yang, 1984].

Остается неясным, каким образом сигнал от этилена, связанного с рецепторным белком мембран, передается в ядро, где включаются специфические гены. Предполагается [Ecker, 1995], что для этого существуют и специальные сигнальные белки, например, как у млекопитающих Сейчас проводятся совместные исследования [Быстрова, 2012].

молекулярных биологов, генетиков и специалистов в области клеточной биологии для изучения этой проблемы [Dong et al., 2010; Zhao and Guo, 2011]. Показаны отдельные участки сигнального каскада с участием разнообразных киназ и выявлено пять семейств генов, кодирующих рецепторы этилена у Arabidopsis thaliana [Dong et al., 2010].

По характеру действия этилен часто проявляет себя как антагонист углекислого газа (см. также раздел 2.2.1.). Анализируя молекулярное строение СО2 и этилена, пришли к заключению [Abeles, 1972], что благодаря сходству структуры, СО2 может быть конкурентным ингибитором действия этилена. Многие физиологические эффекты могут быть объяснены, если учитывать эти особенности этилена и углекислого газа. Обычная практика хранения яблок при повышенной концентрации СО2 основана на том, что углекислый газ подавляет действие этилена. Таким образом, влияние этилена на клетки растений и противоположное ему влияние двуокиси углерода - это, по-видимому, компоненты нормальной физиологической регуляции в растении.

2.2.3. Другие летучие соединения Кроме этилена, во внутреннем воздухе растений могут быть обнаружены и другие органические недоокисленные соединения (спирты, альдегиды, углеводороды). Используя метод газовой хроматографии, во внутреннем воздухе ряда древесных растений наряду с высокой концентрацией углекислого газа удалось обнаружить [Рощина, 1975] пары этанола (Рис.11, табл.4). Вычисления показали, что углекислый газ составлял в побегах от 11,3 до 19,9 относительных процентов. Содержание этанола колебалось от 1,06 до 2,18 тех же единиц. Появление, во внутреннем воздухе паров этанола является показателем недостаточного снабжения тканей кислородом и активирования анаэробного пути дыхания (см. раздел 4.3.4.).

Альдегиды являются интермедиатами в метаболизме растений и также могут быть обнаружены во внутреннем воздухе растений. Так масляный альдегид был найден во внутреннем воздухе 5 - 7-летних побегов, взятых с 20-летних взрослых растений Populus balsamifera и Cotinus coggygria [Рощина,1974]. Количество масляного альдегида составляло от десятых до тысячных долей относительных процентов. Нам неизвестны работы, в которых бы сообщалось о присутствии масляного альдегида во внутреннем воздухе растений, но среди газоэкскретов он был найден, в летучих выделениях брусники Vaccinium vitis idaea, батата Ipomoea batatas и столовой свеклы Beta vulgaris f. rubra [Дадыкин и др., 1967; Скворцов, Смирнова, 1972]. Кроме того, бутаналь входит в состав ягод винограда Vitis Рис.11. Хроматограмма внутреннего воздуха из побегов Populus balsamifera на полисорбе [Рощина, 1975]. 1 – O2 и N2, 2 –СO2, 3 – этанол и черной смородины Ribes nigrum. У этих видов ему сопутствует также бензальдегид [Schauenstein et al., 1977]. Некоторые другие альдегиды с большим числом углеродных атомов найдены во внутреннем воздухе растений. Гамильтон-Кемп и Андерсон [HamiltonKemp, Andersen, 1984] извлекли при разряжении летучие вещества из листьев и стебляТаблица 4. Содержание углекислого газа и этанола в воздухе, извлеченном из 5-7-летннх побегов древесных растений (относительные проценты*) [Рощина, 1975].

–  –  –

соломины пшеницы Triticum и с помощью газовой хроматографии идентифицировали в их составе насыщенный альдегид нональ, ненасыщенные альдегиды с С9 и спирты как главные компоненты внутренней среды растения. В относительно высоких концентрациях (до 13- 18 мг/кг) содержались такие альдегиды, как ацеталь, пропаналь, гексаналь, в плодах яблони Malus, груши Pyrus, земляники Fragаria [Дженсен,1968]. Состав внутренних газов может определять и устойчивость растений к заболеваниям {Hamilton-Kemp et al., 1989] Удивителен факт обнаружения в газоэкскретах метанола [Lund et al., 1981]. Этот спирт, возможно, является нормальным метаболитом внутреннего воздуха межклеточников и возникает из полисахаридов клеточных стенок. Метанол образуется при энзиматическом отщиплении от рамногалактуронанов клеточной стенки (или их метилэтерифицированных производных) в присутствии воды с участием фермента пектин метилэстеразы [Yang and Yu., 2006]. Одна часть его после реакции со свободной водой межклеточной полости может окисляться до формальдегида с помощью метанолоксидазы (а далее вовлекаться в метаболизм фолата, серина, пуринов и др. или превращаться в муравьиную кислоту и затем в углекислый газ). Другая часть метанола, как полагают [Yang and Yu., 2006], входит в субкутикулярное пространство клеточной стенки и через устьица выделяется наружу.

Все описанные выше соединения являются нормальными метаболитами. В связи с этим факт выделения некоторыми растениями СО и метана несколько удивителен. Окись углерода была обнаружена в составе газов воздухоносных полостей бурой водоросли Nereocystis leutkeana [Langdon, 1917], где содержание этого газа составляло 1,2-12%.

Много лет спустя было показано, что окись углерода выделяется листьями некоторых высших растений [Belwiche, 1970]. Предполагается, что на свету СО образуется при распаде полифенолов. В этих же условиях окись углерода может и ассимилироваться, при этом метка СО обнаруживается в серине или глицине. Предполагается [Delwiche, 1970], что растения, возможно, могут играть важную роль в очистке атмосферы от окиси углерода.

В воздухе межклеточников могут содержаться и другие легколетучие соединения.

Абель и Хёрш извлекли из стволов двух видов дуба [Abell, Hursh, 1931] легковоспламеняющийся газ, по их мнению, метан. Позднее выделение СН4 было зафиксировано у озерных растений [Dacey, Klug, 1979]. В газовых лакунах, которые составляют у кубышки Nuphar luteum от 20 до 40% объема корня и ризоидов и около 15% объема черешков, в составе газов обнаружены: СН4 - 37%, N2-54%, О2- 1% и СО2 -6%.

Поскольку состав внутренней атмосферы приближается к составу газов придонных отложений, считается [Dacey, Klug, 1979], что именно газы, растворенные в придонных отложениях, могут свободно диффундировать в корни и ризоиды, быстро достигать черешков и листьев кубышки. Весной, когда распускаются поверхностные листья, метан выделяется в виде пузырьков из раскрытых листьев в атмосферу. Метан образуется и у таких видов, как Nymphaea capensis, N. lotus var. lotus, N. odorata), японских трав Ischaemum aristatum var. glaucum, Isachne globosa, и трех видов ив Salix alba, S. cinerea, S.

viminalis [Grosse et al., 1996]. В отличие от СО2, метан, по-видимому, не обладает токсическим действием на растения. При гидропонном культивировании в атмосфере с высоким содержанием метана при достаточном снабжении кислородом растения томата Solanum lycopersicum (Lycopersicon esculentum) не страдали при увеличении содержания метана до 20% [Arthur et al., l985]. В последние годы уделяется внимание также аэробному выделению метана, роль которого в этом случае еще не выяснена [Kirschbaum et al., 2007] 2.2.4. Транспорт внутренних газов Попытка экспериментально установить пути передвижения газов по растению предпринимались неоднократно. Исследователей прежде всего интересовало снабжение молекулярным киолородом внутренних тканей растения. Благодаря сильно развитой поверхности и системе межклеточных пространств, пор и устьиц, внутренние ткани растений сравнительно легко доступны для внешней атмосферы. Затрудненная аэрация возникает при затоплении водой, образовании ледяной корки и в других неблагоприятных условиях. Поскольку этим воздействиям чаще всего подвергается корневая cистема, то для нее особенно остро стоит вопрос о снабжении кислородом, транспортируемым из надземных частей растений. Используя радиоактивный кислород 15О2 в опытах с Vicia faba Эванс и Эберт [Evans, Ebert, 1960] показали, что О2 быстро транспортируется из надземных частей в корни растения. Возможность аэрации клеток корней кислородом, транспортируемым из листьев, показана и другими авторами [Солдатенков, Чиркова, 1963]. Движение осуществляется по центральной воздушной полости, по межклеточникам паренхимы и флоэмы стебля. В растениях непостоянно растущих в воде, как например рис Oryza sativa внутреннее перемещение кислорода достаточно для нормальной жизни, а при затоплении увеличивается уровень этилена в воздушных лакунах[Stnzi and Kende, 1989].

Однако вопрос об интенсивном транспорте кислорода в корни, по-видимому, не может решаться однозначно для всех растений, так как зависит от анатомо-морфологических особенностей строения надземных вегетативных органов и корней.

Водные сосудистые растения снабжены системой воздухоносньк полстей, пердставляющих собой непрерывный путь, по которому воздух может идти от листьев к корням [Daсеу, 1980; Dacey and Klug, 1982a,b; Grosse and Schroder, 1984;1986; Grosse and Frick, 1999].Типы воздухоносных систем могут быть у этих растений разными. У желтой кубышки Nuphar lutea и нимфоцветника щитолистного Nymphoides peltata (Рис. 12А, Б) движение потока воздуха происходит за счет разницы газовых давлений между листьями разных возрастов, которая определяется диаметром пор, через которые газ входит в молодые листья и выделяется через старые [Daсеу, 1981]. Молодые листья характеризуются меньшим диаметром пор и имеют более высокое газовое давление по сравнению со старыми, что и определяет направление газового потока от молодых листьев к старым. У лотоса индийского Nelumbo nucifera (рис. 12Б, В) адоксальная сторона листа имеет два района с разными характеристиками диаметра пор [Dасеу, 1987]. В центре листа располагаются поры с большим диаметром (выходящие каналы газов). На остальной части листа (99 % поверхности) имеются поры с меньшим диаметром (входящие каналы газов).

Рис. 12. Транспорт внутренних газов у водных сосудистых растений [Grosse, Schrder, 1986], обусловленный разным диаметром пор, через которые газ входит и выходит из листьев. Вентиляционная система связана с формированием газового давления Р. P = Р1 – P2 0; Р1 P2 = P0, где Р1- газовое давление в молодых листьях; P2 -газовое давление в старых листьях ; P0- атмосферное давление. A- Nuphar lutea, Б - Nymphoides peltata, В - Nelumbo nucifera, Г - срез аэренхимы листа Nelumbo nucifera с входящими (мелкими) и выходящими (крупными) каналами газа.

Воздух входит в лист через периферию листа и выходит обратно в атмосферу через поры с большим диаметром [Dасеу, 1987]. При такой вентиляции кислород идет вниз к корням, где создаются анаэробные условия, a CO2, образующийся при дыхании корней, перемещается вверх к фотосинтезирующим листьям. Вследствие перемещения газов создается градиент концентрации кислорода, который продемонстрирован опытами с марискусом Концентрация кислорода Cladium mariscus [Vallance, Coult, 1951].

распределялась следующим образом: освещенные листья темновые листья верхний стебель нижний стебель корни. Градиент концентрации кислорода обнаружен также [Setter et al., 1987] внутри воздушных лакун риса Oryza sativa, зависящей от глубины, на которую погружены побеги. Близко к поверхности концентрация составляла 16-20 %, а на глубине 0,8 и 1,8 м соответственно 10 и 5 %. Напротив, концентрация CO2 в лакунах риса увеличивалась c глубиной от 1-3 % у поверхности воды до 5-10 % при глубине 1,8 м.

Возможно улучшение снабжения кислородом корней водных растений зa счет температурного градиента листа и окружающего воздуха. В опытах Гроссе и Mеви-Шутц [Grosse, Mevi-Schtz, 1987] исследовалось движение газа у водного сосудистого растения Nymphoides peltata. В модельной системе газ этан засасывался в листовую пластинку самого молодого листа и транспортировался вниз по черешку, при этом на солнечном свету газовая диффузия ускорялась на 1200 % за счет разности температур листа и окружающего воздуха. Т составляла в этих опытах 1,7о Кельвина. Температурная разница сопровождалась повышением давления в аэренхиме молодых листьев. Световая энергия требовалась тут исключительно для повышения температуры листа, что можно было продемонстривовать простым нагреванием листовой пластинки.

Перемещению газов способствует и разность давлений, вызванная более высокой, чем у других газов растворимостью в воде. В межклеточной системе CO2 диссимилирующих тканей это приводит к уменьшению давления, создается разница газового давления между листями и корнем, которая индуцирует воздушный ток по растению [Grosse, Schrder, 1986]. У растений, постоянно не растущих в воде, наибольшую роль в снабжении кислородом корневой системы играют также листья. Чиркова [1988] показала, что у фасоли Phaseolus vulgaris, бобов Vicia faba, томатов Lycopersicon и картофеля сохранение листьев обеспечивает esculentum Solanum tuberosum жизнедеятельность корневой системы в условиях анаэробиоза в течение 6-7 дней. Листья, лишенные кислорода, теряют способность защищать корни от гибели вследствие накопления продуктов анаэробного обмена. При корневом анабиозе эти соединения поднимаются с транспирационным током в надземную часть и удаляются через чечевички и листья. Уменьшение содержания этанола - главного анаэробного продукта может быть обусловлено метаболизацией его в качества субстрата дыхания. Эффективный путь обезвреживания этанола – выделение через корневую систему в околокорневую среду.

Возможность такого способа разгрузки связана с проницаемостью мембран.

Кислород, проникающий в корни растений, также может диффундировать в окружающую среду, как это показано [Jensen et al.,1964] в опытах с Zea mays при использовании тяжелого кислорода Наибольшей аэрировать способностью O2.

околокорневую среду обладают растения риса Oryza sativa и некоторых болотных растений [Barber et al., 1962]. Дефицит кислорода ведет к образованию аэренхимы в корнях кукурузы и синтезу этилена [Atwell et al., 1988]. Вентиляционная система лобелии Lobelia dormanna включает большие лакуны или резервуары для запасания кислорода и транспортировки его по растению [Sand-Jensen, Prahl, 1982].

Для древесных растений также показано перемещение кислорода из аэрируемых частей в корни видов Betula pubescens, Salix atrocenerea, Salix alba, Populus petrowskiana, Fraxinus pennsylvanica [Hook et al., 1972]. Благодаря транспорту газа, некоторые древесные растения, например, Alnus glutinosa, способны расти на переувлажненной почве [Groe, Schrder,1984]. Движение газов в вертикальном направлении осуществляется по межклеточникам древесинной и сердцевинной паренхимы. Величина скорости диффузии газа была рассчитана [Groe, Schrder,1984] по диффузии этана, который содержался в газовой камере, где находилась верхняя часть растении. Скорость движения газа по стеблю к корням равнялась 1,41 мкл/мин. Адаптации растений к снабжению корней кислородом в условиях произрастания на переувлажненных почвах или погружения в анаэробные отложения озер способствует сильно развитая губчатая ткань корня, как, например, у ольхи Alnus [Groe, Schrder,1986]. Это ускоряет движение воздуха и способствует перемещению О2 в отдаленные от внешней атмосферы части растений. Движущей силой потока газов, как известно, является диффузия, обусловленная градиентом концентрации газов, У деревьев, растущих на переувлажненных почвах, например, Alnus glutinosa, снабжение кислородом корней достигается путем дополнительного транспорта воздуха под давлением. Это давление основано на чисто физическом процессе термоосмоса газа, которое зависит от разности температур между находящимися на воздухе частями растений и окружающей атмосферой [Grosse et al., 1990]. Перемещению газов способствует также разность давлений за счет более высокой растворимости углекислоты в воде диссимилирующих тканей растений, подобно тому, как это имеет место у водных сосудистых растений [Groe,Schrder,1986]. Определенную роль в снабжении кислородом глубоколежащих тканей растений играют не только листья, но и стеблевые устьица, а также чечевички [Чиркова, 1968, Чиркова, Гутман, 1972].

Возможность газообмена обусловливается анатомическим строением чечевичек, которые характеризуются рыхлым расположением выполняющих клеток и наличием межклеточных пространств. От чечевичек внутрь стебля идут сердцевинные лучи, в состав которых входят воздушные поры. Через них осуществляется аэрация глубоких слоев древесного ствола. Закупоривание чечевичек приводит к гибели корней [Чиркова, Гутман, 1972]. Возможность радиального движения газов в стволе дерева, даже через слой камбиальных клеток, установлена в 30-е годы [MacDougal, Working, 1933]. Ткани проводящей и непроводящей флоэмы аэрируются с помощью многочисленных межклеточных пространств, расположенных радиально, через сердцевинный луч.

Воздушные пространства лучей имеют связь с внешней средой через столь же многочисленные чечевички в перидерме и коре. Таким образом, воздушная система флоэмы - структурно хорошо развитая система, обеспечивающая свободный газообмен с окружающей аэробной средой [Hook, Brown, 1972].

Аэрация ксилемы в значительной степени зависит от проницаемости камбия, которая значительно варьирует среди древесных пород [Hook, Brown, 1972]. Например, Fraxinus excelsior имеет хорошо выраженные межклеточники, проходящие через камбий, у других растений, таких как Populus и Platanus, межклеточники в инициальных лучах камбия или полностью отсутствуют, или столь малы, что их присутствие не могло быть установлено.

Отмечено, что камбий тех видов, которые способны жить в гигрофитных местах, более проницаем для воздуха, чем у видов, обитающих в мезофитных условиях. Хук и Браун [Hook, Brown, 1972] предложили схему аэрации древесных растений, которую мы приводим ниже с сокращениями (Рис. 13).

Рис. 13. Схема аэрации древесных растений

Передвижение углекислого газа из корней в надземные части растения изучено с помощью радиоактивного углерода [Курсанов и др., 1952; Вартапетян и др., 1974]. Было показано, что определенную роль в перемещении двуокиси углерода играет транспирационный ток.

Значительный интерес представляет вопрос о перемещении газа этилена, являющегося фитогормоном. Многие исследователи полагали, что движение этилена может происходить между разными частями растения. Джексон и Кэмпбел [Jackson, Campbell, 1975], показали, что у томата Lycopersicon esculentum радиоактивно меченый газ проникает из корней в стебли и черешки, при этом внутренняя концентрация этилена в корнях и аэрируемых частях растения увеличивается, когда корневая система погружена в воду. С помощью С-этилена показано, что газ движется довольно быстро и при этом не подвергается изменениям. Движение осуществляется, по-видимому, не с транспирационным током, поскольку окольцованные у основания стебли уменьшали скорость передвижения этилена [Jackson, Campbell, 1975]. Эти данные согласуются с представлением о том, что газы могут диффундировать из одной части растения в другую через систему межклеточных пространств, как это показано для кислорода, водорода и азота. Однако этилен довольно хорошо растворяется в воде (легче, чем O2 и N2, но хуже, чем СО2). Молекула его достаточно неполярна, чтобы проникать через мембраны.

Таким образом, возможность транспорта этилена в водных растворах вполне вероятна. Между тем в опытах, например, с Vicia faba [Zeroni et al., 1977], этилен не передвигался к различным частям растения в физиологически значительных количествах.

Возможно, это объясняется тем, что место действия этилена было близко к участку растения, где осуществлялся его синтез.

2.3. ВНУТРИТКАНЕВЫЕ СЕКРЕТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ

К внутренним секреторным структурам относятся внутритканевые вместилища и ходы (каналы - вместилища, принимающие вытянутую форму). Внутритканевые каналы являются вместилищами разнообразных секретов. В зависимости от происхождения их делят на схизогенные и лизигенные. Схизогенные вместилища представляют собой межклеточники, заполненные выделившимся веществом и окруженные живыми эпителиальными клетками. К ним относятся смоляные ходы [French, 1987; Fahn, 1979].

Лизигенные структуры возникают на месте группы клеток, которые распадаются после накопления веществ, например вместилища эфирных масел. Развитие секреторных каналов идет различными путями у разных растений или даже у различных органов одного и того же растения [Outer, van Veenendaal, 1986]. В некоторых тканях секреторные каналы развиваются сначала схизогенно, потом, на поздних стадиях, - лизигенно, тогда как в других тканях только лизигенно или только схизогенно. Предполагается [Outer, van Veenendaal, 1986], что схизогенный способ развития секреторных каналов более древний, чем лизигенный. Внутренними секреторными структурами являются и млечники, которые представляют собой живые клетки, содержащие в вакуолях млечный сок. Следует отметить, что в одних и тех же растениях, за исключением семейства Anacardiaceae [Outer, van Veenendaal, 1986], структуры и млечных и смоляных ходов не встречаются.

Существование определенных внутритканевых секреторных вместилищ может являться таксономическим признаком семейств. Так смоляные ходы во всех частях растения характерны именно для голосеменных, вместилища терпенов и алкалоидов в листьях и корнях – для семейств Rutaceae, Myrtaceae, Hypericaceae, канальцы с эфирными маслами в плодах растений – для семейства Umbelliferae.

Некоторые секреторные ткани могут формироваться в ответ на внешние стимулы:

механические повреждения, внедрение патогенов, экзогенные ростовые вещества, возможно, и этилен. Так, например, могут возникать смоляные и камедевые протоки (ходы) [Fahn, 1987; 1988a,b].

2.3.1. Секреция смол.

Смолы встречаются млечниках и в смоляных ходах различных частей растений - корней, стеблей, листьев и семян. Смоляные ходы широко распространены в семействах Umbelliferae, Araliaсeae, Compositae, Coniferae, Anacardiaceae [Dell, McComb 1987a; Outer, van Veenendaal, 1986; Maksimovych, Ledbetter, 1987]. Они появляются как нормальный элемент древесины у родов Pinus, Picea, Larix, Pseudotsuga или развиваются только в результате повреждения (роды Abies, Cedrus, Tsuga, Pseudolarix) [Fahn,1988b; ЯценкоХмелевский, 1954]. У хвойных (Coniferae) смоляные ходы располагаются в древесине и коре ствола, ветвей, хвое и чешуек шишек. Один из примеров таких ходов – изображение, полученное с помощью метода оптической когерентной микроскопии (ОКМ) в хвое ели (Рис.14). В древесине вертикальные и горизонтальные ходы соединяются между собой, образуя переплетающуюся сеть.

Рис. 14. Смоляные ходы. а и б - ОКМ-изображения смоляных ходов (светлые круги показаны стрелками) в хвое ели Picea sylvestris [Roshchina et al., 2007b], в схематический рисунок разреза смоляного хода, состоящий из полости, окруженной эпителиальными клетками, за эпителием - внутренний слой представлен механическими клетками.

Смолоносные каналы присутствуют и в корневых системах Сulcasia, Cercestis, Furtadoa, Homotomena, Philodendron и многих других растений. В корнях Schismatoglottis смоляные ходы отсутствуют, зато они есть в листьях [French, I987]. В основу классификации смоляных ходов и вместилищ [Чавчавадзе, I973] положен принцип их деления по характеру возникновения : травматические, патологические смоловместилища и смоляные ходы, которые образуются в ответ на поранение, и нормальные смоляные ходы, появляющиеся как обычный элемент древесины (рис 15).

Травматические образования возникают схизогенно и подразделаются на следующие структуры: 1. схизогенние полости - небольшие межклеточные полости на стыке паренхимных клеток; 2. смоляные кармашки - небольшие межклеточные пространства, не Рис.15. Нормальные и травматические смоляные ходы. Адаптировано по Чавчавадзе [1973]. Нормальные вертикальные смоляные ходы: 1. Keteleeria fortunei, 2. Pseudotsuga macrocarpa, 3. Larix laricina, 4. Pinus pumila. Травматические смоляные резервуары и ходы: 1. Схизогенная полость у Abies firma, 2. Смоляной карман у Metasequoia glyptostroboides, 3. Вертикальный (а) и горизонтальный (б) смолоносные ходы с цистами у Сedrus libani, 4. Вертикальный смоляной ход у Abies venusta.

имеющие эпителиальных клеток; 3. смоляные карманы - более или менее крупные межклеточные полости, имеющие форму кармана; 4. смоляные цисты - вытянутые межклеточные полости, имеющие слабо выраженный эпителий, не образующий, как правило, сплошной обкладки. По данным Чавчавадзе [1973], нормальные смоляные ходы отличаются от патологических меньшим количеством на единицу площади и более совершенным строением. Эпителий всегда выстилает канал сплошным слоем. Мертвый слой у сосен состоит из одного или нескольких рядов клеток, плотно спаянных с наружными стенками эпителия, однако он не всегда бывает сплошным. Сопровождающая паренхима располагается обычно в один-два неполных или полных ряда, иногда таких рядов может быть три и четыре.

Образование внутренних секреторных каналов сейчас интенсивно изучается. При этом значительное внимание уделяется ферментам, принимающим участие в этих процессах. Из клеточных стенок тканей мезокарпия незрелого миндаля Prunus dulcis были экстрагированы ферменты, разрушающие клеточную стенку. Активность некоторых из них коррелировала с развитием смоляных ходов в этих тканях [Morrison et al.,1987].

Активность полигалактуроназы и 1,3--D-глюканазы увеличивалась на схизогенной стадии образования ходов или даже раньше, тогда как увеличение активности –галактозидазы. галактозидазы,-арабинозидазы и -маннозидазы коррелировало с более поздней стадией образования ходов. Анализ метилирования клеточных стенок подтвердил, что многие специфические гликозидные связи, которые разрушались изученными ферментами, присутствуют в клеточных стенках мезокарпия перед образованием смоляных ходов [Morrison et al.,1987].

Заполняющие смоляные хода секреты представляют собой слаболетучие продукты растений, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. Они стабильны, инертны, аморфны и являются сложными смесями главным образом терпеноидов, флавоноидов и липидов. Особенно широко распространены в смолах производные дитерпенов - циклические кислоты, получившие название смоляных кислот (Рис. 16).

Рис.16. Смоляные кислоты [Elliger et al., 1976]. 1 – пимариновая: R 1 -винил, R2 – метил; дигидропимариновая; R 1 - этил, R2 - метил; сандоракопимариновая; R 1 - метил, R2 – винил; 2 - изопимариновая ; 3 –неоабиетиновая; 4 – левопимариновая; 5 – палюстриковая; 6 – абиетиновая.

В составе смол присутствуют также флавоноиды, которые могут превращаться в лигнаны - соединения, состоящие из фенилпропановых единиц, соединенных С-С связью между средними атомами углерода боковых цепей (Рис.17). Часто в смолах присутствуют жирные кислоты, некоторые из которых напоминают воска [Dell, McComb, 1978a]. В составе смол найдены соединения, которые характерны только для отдельных семейств. Так в смоляных ходах растений семейства Asteraceae обнаружены [von Proksch, 1985] бензопираны и бензофураны (Рис.18), соотношение между которыми Рис.17. Компоненты смолы западноавстралийских растений [Dell, McComb, 1978]. 1

– эперуан-8 -15-диоловый, дициклический дитерпен из Ricinocarpos muricatus; 2 – пимарадин, трициклический дитерпен из Newcastelia viscida; 3 – трициклический дитерпен из Eremophila decipiens; 4 – олеанолевая кислота, тритерпен из Newcastelia viscida; 5 – пендулетин из Newcastelia viscida ; 6 – эремолактон из Eremophila fraseri (бензопиран/бензофуран) варьирует от 1:1 до 1:10. В составе смолы ели европейской Picea abies, растущей в Японии, обнаружены соединения фенилпропана [Omori et al., 1983]. Некоторые из названных соединений биологически активны и являются репеллентами благодаря токсичности для травоядных насекомых. Основой этого действия являются пиран и фуран, а также ароматические кольца. Другие компоненты смол, например трахилобановая и кауреновая кислоты, способны уничтожать личинки Рис.18. Бензопираны и бензофураны из Encelia [von Proksch, 1985]. 1-3 – производные пирана, 4, 5 – производные фурана, 6 + 7 – двойной стереоизомер. Ме –метил.

различных насекомых [Elliger et al., 1976] или подобно производным пирана и фурана защищать растения от поедания травоядными животными. Смола листьев Hymenaea содержит значительное количество -селинена и кариофиллена [Langenheim et al., l980].

Состав монотерпенов олеосмол у хвойных растений варьирует в зависимости от вида и географического расположения биоценоза [Forrest, 1980 a,b]. Эти вещества препятствуют поеданию растений насекомыми. Инcектицидным (антитермитным) действием обладают компоненты смолы тропического растения Dipterocarpus Kerrii – сесквитерпены (Рис.19)

- и - гурджуненол и - гурджунен [Richardson et al.,199l].

Композиции смол весьма сложны и используются в практических медицинских (как бальзамы) [Муравьева, 1981] и промышленных целях под названиями каури копол (растения семейства Araucariaceae,например Araucaria bidwillii), ладан (Boswellia carterii семействo амбра семействo Birdw., Burseraceae), (Liquidambar styraciflua L, Hamamelidaceae), гваяковая смола (род Guajacum, семействo Zygophyllaceae), живица хвойных растений (семействo Pinaceae).

Олеосмолы хвойных растений включают много монотерпенов, и их состав используется для идентификации различных клонов одного вида, например у ели европейской [Esteban et al., 1977].

Cмола синтезируется в эпителиальных клетках, окружающих смоляной ход.

Секреторные полости смоляных каналов должны быть хорошо изолированы от путей газовой диффузии, поскольку у некоторых видов, например Eremophila [Dell, McComb, 1978a], в секрете есть терпены, способные легко окисляться, если внутренность листа открыта.

Рис.19. Сесквитерпены – компоненты смолы. 1. --гурджунен, 2. и 3. - - и - гурджуненолы

Неудивительно поэтому, что оболочки клеток, окружающих смоляной ход у ряда растений, суберинизироваиы или подвергнуты другим вторичным изменениям, препятствующим свободному транспорту веществ. Тем не менее, поскольку синтез смолы идет в эпителиальных клетках, в них должен поступать фотосинтетат (продукты фотосинтеза) из окружающих несекреторных клеток. По-видимому, транспорт предшественников секрета в железистые клетки в этом случае осуществляется только через плазмодесмы, которые сохраняются при вторичных изменениях оболочки. Однако полной изоляции смоляных ходов и в этом случае, по-видимому, не достигается, так как наиболее летучие фракции терпенов могут поступать в апопласт несекреторных клеток, о чем свидетельствует смолистый запах, издаваемый интактными частями растений, лишенными секреторных структур.

Вопрос о месте синтеза смол внутри секреторных клеток не может считаться окончательно решенным. Предполагается что смолы [Dell, McComb, 1978a], синтезируются в специализированных пластидах лейкопластах, окруженных — эндоплазматическим ретикулюмом, от которого отходят капли. Однако есть сведения [Fahn, 1987; 1988b], что на ранних стадиях развития смоляного хода осмофильные капли, свидетельствующие о синтезе смолы, наблюдаются не только в пластидах, но и в эндоплазматической сети, пузырьках Гольджи, митохондриях, на ядерной мембране и в цитоплазме. Это указывает на то, что синтез смолы, возможно, идет в различных частях эпителиальных клеток. Возможно также, что в различных частях клетки синтезируются разные фракции смол. Биосинтетический путь основных составляющих смолотерпеноидов, по-видимому, един для всех подобных соединений и происходит с участием мевалоновой кислоты (см. далее Главу 3, Рис.56).

Образовавшийся секрет - смола транспортируется к плазмалемме в везикулах аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулюма с последующим экзоцитозом (гранулокриновая секреция). Возможны также и другие пути секреции. Смола в канале смоляного хода находится под большим напором (до 10 атм и более), обусловленным секреторным давлением, которое, очевидно, вызывает выделение терпенов из каналов, вскрываемых при механическом повреждении [Васильев, 1977]. Выделяемые растениями смолы не следует, по-видимому, рассматривать как отбросы, возникающие в процессе метаболизма. В растении может идти постоянное обновление терпенов, разрушение их и включение в метаболизм [Васильев, 1977]. Кроме того, смола выполняет защитную функцию, препятствуя развитию патогенов и паразитов в интактных растениях и при поранении, заливая секретом пораженную ткань.

2.3.2. Млечный сок В отличие от смоляных ходов вместилища млечного сока представляют собой живые клетки. Млечники бывают двух типов: членистые и нечленистые. Нечленистый млечник является гигантской клеткой, которая, возникнув в зародыше, не делится, а непрерывно растет, удлиняется и ветвится [Эсау, 1969]. Нечленистые млечники пронизывают все органы растений семейства Euphorbiaceae. Членистые млечники возникают из многих клеток, у которых в местах соприкосновения друг с другом растворяются оболочки, а содержимое клеток сливается в сплошную разветвленную систему. Млечники обнаружены у 12 500 видов растений, принадлежащих к 900 родам и 20 семействам, в основном класса двудольных. К их числу относятся представители Compositae, Papaveraceae, Campanulaceae и других растений [Fahn, 1979; Kernethy, Calvin, 1985]. Присутствие млечников в природных условиях легко распознается по вытеканию латекса при повреждении ткани растении. Латекс в млечниках находится под давлением, которое, например, у Hevea brasiliensis достигает 10 атм., что и обусловливает его интенсивное истечение. У раненных растений банана Musa sp. скорость экссудации латекса составляет за первые 4 минуты после механического повреждения от 400 до 50 мкл/мин, и со временем количество выделившегося латекса уменьшается [Milburne et al., 1990].

Млечники. Mлечная клетка приобретает секреторную функцию с самого начала своего образования. Продолжительность функционирования млечников у разных видов растений разная, но, как правило, короче, чем жизнь самого растения [Денисова, 1989]. Протопласт и другие органеллы сохраняются в млечниках живыми, цитоплазма занимает постенное положение, а остальное пространство занято вакуолярным соком. Дальнейшее развитие млечников отмечается деградацией клеточных органелл. Мелкие вакуоли у ряда растений не сливаются, как обычно, в одну крупную вакуоль, так что на последних стадиях млечники состоят, главным образом, из большого числа вакуолей, которые не сообщаются друг с другом [Wiermann, 1981]. Структура таких млечников и выделенных из них вакуолей показана на Рис 20. Для латекса банана Musa sp, кроме обычных клеточных органелл, описаны [Kallarackal et al., 1986] лютоиды, т.е. липидные глобулы размером от 5 до 35 мкм, окруженные мембраной и обладающие лизосомной активностью. В латексе также обнаруживают и фрагменты цитоплазмы гранулярной структуры. Подобные включения характерны для латекса и других растений. Нередко в латекс включены зерна крахмала. В млечниках Euphorbia pulcherrima [Spilatro, Mahlberg, 1985] они имеют Рис.20. Вакуоли с латексом [Matile et al.,1970]. А – поперечный срез старого млечника чистотела Chelidonium majus с многочисленными маленькими вакуолями (V) с латексом.

Рядом в клетке большая центральная вакуоль (CV) увел. 6750:1; Б - разрез через осадок изолированных вакуолей с латексом, увел.12000:1; В - сохранившаяся целая изолированная вакуоль с окружающей мембраной и латексом, увел. 50000:1.

палочковидную или веретеновидную форму. Они не разрушаются даже тогда, когда растение находится в темноте. Крахмал зерен - чистый полиглюкан, который может гидролизоваться - амилазой добавленной извне. Длительное сохранение крахмала в млечниках, скорее всего, обусловлено отсутствием соответствующих гидролитических ферментов в латексе [Spilatro, Mahlberg, 1985].

Млечный сок, который вытекает при перерезке млечников, является эмульсией.

Дисперсионной средой служит вода (50-82 %), а дисперсионной фазой - глобулы веществ, нерастворимых в воде - полиизопреновые углеводороды, тритерпенолы и стеролы, жирные и ароматические кислоты, каротиноиды, фосфолипиды, белки в другие вещества [Wiermann, 1981, Nemethy, Calvin, 1983]. Глобулы этих веществ взвешены в клеточном соке, поэтому эмульсия похожа на молоко. Млечники и содержащиеся в них глобулы полимеров хорошо видны на Рис.21.

Рис.21.Микрофотографии млечников Calystegia silvatica (Kit) Griesb [Condon and Fineran, 1989]. 1. Млечники на срезе стебля выглядят, как белые пятна (показано стрелками) на снимке под стереомикроскопом х 18. 2-4 – Млечник (L) и его содержимое на срезе корня видно под сканирующем электронном микроскопом (увеличение х 400, х 770, х 3900).

Внешний вид латекса у разных растений может значительно отличаться, что обусловлено его химическим составом [Прокофьев, 1948]. В большинстве случаев латекс молочно-белого или желтовато-зеленого цвета. Но имеются виды (сем. Аросуnасеае), у которых он водянистый, и более или менее прозрачный. У других растений он желтый, оранжевый или даже красный. В семействе Papaveraceae у представителей рода Papaver латекс белый, у Agremone - лимонно-желтнй, у Chelidonium majus – оранжевый [Прокофьев, 1948].

Химический состав латекса. Основу латекса у семейства Euphorbiaceae составляют многочисленные терпеноиды, например, производные с цембрановым скелетом (Рис. 22).

Молекулы цембрановых производных содержат четырнадцатичленный макроцикл с разнообразным набором и взаимным расположением функциональных групп.

Цембраноиды считаются соединениями в биогенезе многих "ключевыми" полициклических дитерпеноидов. Эти вещества являются многочисленной структурной группой природных соединений дитерпенового ряда, хотя их содержание в большинстве природных организмов составляет доли процента, Они широко распространены в природе, особенно в эфирных маслах хвойных растений (Стародубов и др., 2010) и часто обладают высокой биологической активностью.

Рис.22. Терпеноиды в латексе растений семейства Euphorbiaceae. 1. скелет цембрана, 2 – касбан, 3 – латиран, 4 – ингепан, 5 – тиглан, 6 – дофнан, 7 – кротонитенон, 8кротофолан. Цифрами показано расположение атомов, перемещающихся при замещении в основном скелете.

Кроме того, в млечном соке часто встречаются тритерпены, такие как эуфол и ситостерол (Рис.23).

Рис.23. Тритерпены латекса. 1 – эуфол, 2 – ситостерол Среди полиизопреновых углеводородов латекса часто встречаются смолы, каучук, гутта, чикл [Archer, Audley, 1973; Backhaus, 1985;Tian et al., 1990; Siler et al., 1997].

Тритерпены (C5H8) находят в латексе Euphorbia в виде твердых частиц [Skrukrud et al., 1988], в которых есть и каучук [Siler et al., 1997]. Каучук имеет эмпирическую формулу (C5H8), и представляет собой продукт полимеризации изопрена с широким спектром молекулярной массы, изменяющейся от 105 до 4х106, что эквивалентно полимерам из примерно 1500-60000 изопреновых остатков [Гудвин, Мерсер,1986]. Диcпергированные частицы каучука имеют размеры 5-6 микрон и покрыты тонкой пленкой адсорбированного белка и фосфолипида. Гутта, как и каучук, является полимером. Каучук представляет цис-, а гутта транс - 1,4-полиизомеры [Archer, 1980 ]. В млечном соке Achras sapota (zapota) содержится чикл (смесь 66 % транс- и 34 % цис-полиизопренов), что добывается для изготовления жевательной резинки.

Образование каучука особенно характерно для семейств Могаcеае, Euphorbiaceae, Apocynaoeae, Asclepiadaceae, Compositae. Значительное количество каучука накапливают только тропические растения родов Неvea, (Cем. Euphorbiaceae), Ficus (Cем. Moraceae) и Parthenium argentatum (Cем. Compositae) - кустарник засушливых зон Северной Америки.

Из растений, произрастающих на территории бывшего СССР, значительным содержанием каучука в латексе отличаются некоторые виды Среднеазиатской растительности Казахстанского вида тау-сагыза Scorzonera tau-saghyz (Cем. Compositae), корни которого содержат до 40 % каучука в расчете на абсолютно сухой вес. Каучуконосный уроженец Казахстана одуванчик кок-сагыз Taraxacum kok-saghyz (Сем. Compositae) содержит до 22 % этого полимера, а Крымский одуванчик Taraxacum hybernum накапливает ко второму году вегетации всего 5-6 % каучука. Примерно такое же количество каучука накапливают листья ваточника Asclepias corniti (сем. Asclepiadaceae), завезенного из Америки в Европу.

Интродуцированная в Европе мексиканская серебристая гваюла Parthenium argentatum может накапливать каучук в листьях до 10-12 % [Прокофьев, 1948 ]. Из других растений, произраставших в СССР и содержащих в латексе каучук, можно отметить золотарник Solidago virgaurea (сем. Asteraceae), кендырь Apocynum sibiricum (сем.Apocynaceae), текесагыз (козелец) Scorzonera acanthoclade Franch (сем. Asteraceae).

Из растений, которые содержат в млечном соке каучук, только Hevea brasiliensis используется в промышленном масштабе. В Малайзии получены высокопродуктивные сорта гевеи, дающие примерно 700 кг каучука на 1 акр в год. У гевеи каучук образуется и запасается в кольцевых млечниках коры, Благодаря наличию перемычек между соседними млечниками латекс может вытекать из большой зоны коры при подсочке. Продукция каучука зависит от интенсивности света, однако главным источником его у некоторых растений являются не надземные части растения, а корни. Например, у гваюлы Parthenium argentatum корни содержат в расчете ва сухую массу до 7,6 % полимера. Они могут быть главным источником каучука, как и кора стебля, тогда как молодые побеги и листья образуют мало (до 0,5 %) этого продукта [Macrae et аl., 1986].

Образование полиизопреноида каучука осуществляется в паренхимных клетках [Baсkhaus, 1985]. Вначале частицы каучука возникают в цитоплазме, а затем их можно обнаружить в вакуолях этих клеток. Поскольку каучук имеет промышленное значение, изучению путей его биосинтеза удалено большее внимание, чем другим компонентам латекса [Paterson-Jones et al., 1990; Cornish, 2001a, b]. В английском издании нашей книги [Roshchina V.V. and Roshchina V.D.,1993] и специальном обзоре Корниш [Cornish, 2001a] подробно рассмотрены возможные пути биосинтеза каучука, поэтому мы остановимся только на важнейших этапах этого процесса. Основными предшественниками каучука являются сахара, ацетат, пируват и мевалонат. Путь их превращения показан на схеме (Рис.24). Считается, что все атомы углерода изопреноидов происходят из ацетата, который возникает в результате окислительного декарбоксилирования пирувата, продукта анаэробного превращения углеводов или как продукт цепи фотодыхания. Молекула ацетата, содержащая два атома углерода, превращается в С5-молекулу изопрена путем конденсация трех остатков ацетата и отщеплением одного атома углерода.

Последовательные стадии соединения трех молекул ацетата с образованием структур с разветвленной цепью протекает при участии переносящего ацетил кофермента (КоА).

Следующая ступень состоит в превращении в мевалонат. Затем происходит фосфорилирование мевалоната, при этом образуется пирофосфатмевалонат.

Пирофосфатмевалонат принимает участие в реакции, которая является наиболее характерной для метаболизма изопреноидов - образовании изопентилпирофосфата.

Образование терпенов, сесквитерпенов и высших изопреноидов из изопентилпирофосфата происходит путем присоединения остатка изопентилпирофосфата к растущей цепи изопреноида с участием цис-1,4-полиизопентилтрансферазы. Подобный способ полимеризации Рис.24. Схема возможных путей биосинтеза каучука. Адаптировано из работ [PatersonJones et al., 1990; Roshchina V.V. and Roshchina V.D., 1993; Cornish, 2001a].



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Похожие работы:

«Курумканское районное Управление образования МБОУ ДОД "Центр детского творчества" "Утверждено" педагогическим советом МБОУ ДОД "Центр детского творчества" Протокол № от "_"_ 200г. Директор _ /Берельтуев С.О./ Образовательная программа дополнительного образования детей любителей и исследователей природы "Багульник" /Эколого-биологическо...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.